МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

"Алматинский институт энергетики и связи"

Л.П. Клочковская, С.В. Коньшин

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Учебное пособие

Алматы 2007

УДК 621.396

ББК 32.884.1

К 50

Клочковская Л.П., Коньшин C.В. Технологии беспроводной связи. Расчет параметров мобильной связи: Учебное пособие.  Алматы: АИЭС, 2007. – 75 с., табл. 9,  ил. 26,  библиогр. 14 назв.

ISBN 9965-708-91-6

Учебное пособие посвящено расчету параметров мобильной связи, приведены необходимая справочная информация и примеры расчетов. Учебное пособие может быть использовано не только для изучения дисциплины «Технологии беспроводной связи», но и для дисциплины «Мобильные телекоммуникации и цифровые системы передачи» и может также использоваться при выполнении выпускной работы бакалавра.

Кроме того, учебное пособие может использоваться и магистрантами при изучении дисциплины "Мобильные многоканальные технологии и услуги компаний сотовой связи" и других профильных дисциплин, где изучаются мобильные технологии.

Учебное пособие дополняет лекционные курсы и предназначено для помощи студентам при выполнении семестровых и курсовых работ, а также для использования при проведении практических занятий  по специальности "050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации" студентов всех форм обучения.

ББК 32.884.1

РецензентЫ: КазРПНТОРЭС, канд. техн. наук, доц. А.Д.Сартбаев.

                          АИЭС, доц. Е.В.Ползик.

Печатается по дополнительному плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2007 г.

К	2303040501
	00(05)-07

                                                                         © НАО "Алматинский институт

ISBN 9965-708-91-6                                                 энергетики и связи", 2007.

Содержание

Введение  4

1 Расчет ожидаемой дальности связи и выбор оптимальной мощности передатчика базовой станции  5

1.1 Основы методики расчета 5

1.2 Исходные данные для расчета 7

1.3 Расчет дальности связи в направлении АС - БС 8

1.4 Определение оптимальной мощности передатчика БС 16

1.5 Анализ результатов расчета 24

2 Расчет качества обслуживания системы   25

2.1 Выбор математической модели системы 25

2.2 Прогнозирование нагрузки в системе 27

2.3 Расчет показателей качества обслуживания системы 29

3 Анализ электромагнитной совместимости систем мобильной связи  33

3.1 Уравнение электромагнитной совместимости (ЭМС) 33

3.2 Нормы частотно-территориального разноса РЭС 37

3.3 Модели распространения сигналов, используемые при анализе ЭМС и проектировании сетей мобильной связи 40

3.4 Модели распространения, рекомендованные международным союзом электросвязи (МСЭ) 41

3.5 Модель Okumura-Hata 42

3.6 Расчет межсистемной ЭМС 48

4 ЭМС сотовых систем связи EGSM-900 и СDМА-800  50

4.1 Оценка ЭМС систем EGSM-900 и СDМА-800 50

4.2 Анализ параметров источника полезного и мешающего сигналов 52

4.3 Потери на трассе распространения МС EGSM - БС EGSM 54

4.4 Потери на трассе распространения БС СDМА - МС СDМА 55

4.5 Потери на трассе распространения МС EGSM - МС СDМА 55

5 Проектирование сотовых сетей подвижной связи (ССПС) 58

5.1 Подход к проектированию ССПС 58

5.2 Разделение сетей на иерархические уровни 60

5.3 Физический уровень ССПС 60

5.4 Канальный уровень ССПС 64

5.5 Сетевой уровень 66

5.6 Пути усовершенствования ССПС 69

Литература  74

Введение

Современная жизнь характеризуется повышенной деловой активностью населения. Даже самая ценная информация бесполезна, если нет каналов связи для ее передачи и приема. Бурное развитие новых технологий не в последнюю очередь обусловлено совершенствованием средств связи. Необходимость получения информации в определенное время, увеличение объема передаваемой информации и сокращение срока ее доставки адресату, возможность ее оперативной передачи и приема делает мобильную связь неотъемлемым атрибутом действительности. Сейчас уже трудно вспомнить, как была устроена наша жизнь до появления средств мобильной связи.

Сегодня пользоваться сотовым телефоном или даже спутниковым терминалом стало актуально и экономически выгодно. Для предоставления деловым потребителям современных услуг связи зачастую уже недостаточно сети обычной телефонной связи. Особо актуальны средства мобильной связи в районах, где стоимость прокладки новых проводных линий слишком высока.

Существует великое множество систем и устройств мобильной связи, и очень трудно выбрать то, что необходимо для решения конкретной задачи при организации вашего бизнеса или жизнедеятельности. Ведь радиостанции, пейджеры, сотовые и спутниковые телефоны – это средства мобильной связи, отличающиеся по цене, характеру применения, техническим и другим характеристикам.

Технология беспроводной связи развивается в мире стремительными темпами, непрерывно расширяя объем и качество предоставляемых услуг, делая их массовыми, общедоступными и приспособленными к индивидуальным потребностям пользователей. Реализация новых возможностей обеспечивается как за счет совершенствования существующих сетей, так и реализации новых технических решений, связанных с созданием глобальной сетевой инфраструктуры на базе стандартов мобильной связи третьего поколения.

Введение новых разработок, революционизирующих запросы рынка беспроводной связи, и постоянно возрастающее количество новых применений ведут к чрезвычайным потребностям в дополнительной емкости и в новых присвоениях диапазонов радиочастот.

Поэтому, очень важным является умение производить расчеты для проектирования систем мобильной связи с целью увеличения количества обслуживаемых абонентов.

1 Расчет ожидаемой дальности связи и выбор оптимальной мощности передатчика базовой станции

1.1 Основы методики расчета

Расчет зоны обслуживания системы связи с мобильными абонентами представляется сложной статистической задачей.

Дальность действия системы зависит от следующих факторов:

а) уровня внешних шумов на входе приемника и его чувствительности;

б) заданного отношения сигнал/шум на входе приемника;

в) параметров антенно-фидерного тракта приемной аппаратуры (действующей высоты антенны, потерь в антенно-фидерном тракте и высоты установки приемной антенны);

г) эффективной мощности, излучаемой передающей аппаратурой и зависящей от мощности передатчика, потерь в антенно-фидерном тракте передачи, коэффициента усиления и неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости передающей антенны;

д) высоты установки передающей антенны;

е) статистических закономерностей распространения радиоволн в условиях пересеченной местности и городской застройки;

ж) системы модуляции;

з) электрических параметров приемной аппаратуры;

и) рельефа местности и т.д.

В системах проводной связи электрические параметры соединительной линии к заданному абоненту являются постоянными величинами и могут быть рассчитаны и измерены. Это позволяет заранее определить качество связи с любым абонентом и подключить к системе только таких абонентов, у которых параметры соединительных линий удовлетворяют требованиям установленных норм.

В отличие от проводной связи в системах УКВ радиосвязи с мобильными объектами, их абоненты находятся в движении и параметры линии связи с ними непрерывно изменяются. Поэтому связь с такими абонентами за границей расчетной зоны действия системы связи не прекращается, а только ухудшается.

Как показывает анализ литературы, зону действия системы связи с мобильными объектами обычно рассчитывают исходя из принятой минимальной величины отношения сигнал/шум на выходе приемника на границе зоны, обеспечивающей заданную разборчивость речи. Хотя в настоящее время норма на эту величину не установлена, в расчете принято одно из типовых ее значений 12 дБ.

Еще раз следует отметить, что связь между стационарной базовой станцией (БС) и мобильной абонентской станцией (АС) осуществляется при непрерывном изменении условий радиосвязи. Поэтому произвести точный расчет дальности связи не представляется возможным и приходится исходить из средних значений параметров, влияющих на качество связи. В основу такого расчета должны быть положены данные статистической обработки измерений, проведенных в реальных условиях. Чем больше проведено измерений, тем точнее расчет.

В рассматриваемом случае по причине невозможности проведения подобных измерений, необходимо использовать статистические данные, полученные другими исследователями. Наиболее приемлемыми из них служат материалы, приведенные в рекомендации №370 X пленарной ассамблеи Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР). Они основаны на обобщении статистических данных многочисленных экспериментов, проведенных в различных географических районах; и пригодны как для горизонтальной, так для вертикальной поляризации.

Применение методики, приведенной в рекомендации №370, при расчетах дальности связи в городах может дать наибольшую точность. Все другие опубликованные методы базируются на результатах экспериментов, проведенных в условиях одного конкретного города. Поэтому применение этих методов при расчетах дальности связи во всех других городах может привести к значительным неточностям.

В рекомендациях МККР приведены графики зависимости дальности связи от напряженности поля в точке приема и высоты установки антенны БС для определенного диапазона частот. Эти графики представляют собой семейство кривых зависимости напряженности поля, выраженной дБ/мкВ/м от расстояния (при постоянном значении высоты установки антенны БС).

Поскольку используемый метод расчета ожидаемой дальности связи с мобильными объектами основан на использовании среднестатистических данных, он дает средние результаты, позволяющие с достаточной точностью оценить порядок величин. Поэтому в пределах расчетной зоны связи могут быть отдельные участки, на которых связь будет ухудшаться или совсем пропадать, и, наоборот, за пределами этой зоны (по некоторым направлениям) могут быть участки с хорошим качеством связи.

В рассматриваемом случае расчет можно разделить на два этапа. На первом этапе расчета определяется ожидаемая дальность связи (радиус зоны обслуживания) в направлении передачи от абонентской станции к базовой (АС-БС). Второй этап расчета включает в себя определение мощности передатчика БС, требуемой для обеспечения связи такого же качества в той же зоне в направлении передачи от базовой стации к абонентской (БС-АС).

Конкретно в качестве АС в расчете будет рассматриваться носимая стация (НС), так как опыт эксплуатации системы показывает ее большую критичность к дальности связи как при передаче так и при приеме. Большая критичность НС обуславливается меньшей мощностью передатчика, меньшим коэффициентом усиления антенны, большей величиной чувствительности приемника, и т. д.

1.2 Исходные данные для расчета

Исходными данными для расчета дальности связи служат в основном параметры приемопередающей аппаратуры и антенно-фидерного тракта базовой и носимой станций. Для большей наглядности они представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для расчета дальности связи

	Параметр	БС	НС
1	Средняя частота передачи, МГц	415.5	409.5
2	Средняя частота приема, МГц	409.5	415.5
3	Средняя длина волны передачи, м	0.722	0.733
4	Средняя длина волны приема, м	0.733	0.722
5	Максимальная частота модуляции, кГц	3.4	3.4
6	Максимальная девиация, кГц	5	5
7	Волновое сопротивление антенно-фидерного тракта, Ом	50	50
8	Чувствительность приемника при отношении сигнал/шум на его входе 12дБ, мкВ	0.35	0.35
9	Мощность передатчика, Вт	прогр.	4
10	Высота подвеса антенны, м	150	1.5
11	Коэффициент усиления антенны, дБ	7.3	0
12	Неравномерность диаграммы направленности антенны горизонтальной плоскости, дБ	1	0
13	КНД антенной системы БС, дБ	3.4
14	Коэффициент деления мощности антенного разветвителя, дБ	6.1	-
15	Затухание в кабеле, дБ	3.14	-
16	Затухание в дуплексном фильтре, дБ	0.8	-
17	Затухание в устройстве разделения, дБ	3.4	-
18	Коэффициент усиления устройства соединения, дБ	2	-
19	Затухание на неравномерностях антенно-фидерного тракта, Дб	1	-
20	Затухание в антенно-фидерном тракте, дБ	-	1
21	Среднее колебание высоты местности, м	10	10

1.3 Расчет дальности связи в направлении АС - БС

1.3.1 Расчет необходимой напряженности поля в точке приема

Графики МККР, являющиеся основой используемой методики расчета построены при исходных данных:

а) напряженность поля полезного сигнала создается передатчиком с эффективной излучаемой мощностью 1 кВт;

б) приемная антенна установлена на высоте 10м;

в) напряженность поля сигнала приведена в точке приема, а не на входе приемника;

г) значения напряженности поля полезного сигнала, показанные на графиках, имеют место е течении 50% времени и в 50% пунктов приема.

Для определения напряженности поля полезного сигнала в расчетную формулу вносятся соответствующие поправки, учитывающие различие исходных параметров (мощности передатчика, высоты установки приемной антенны, электрических данных антенн и др.).

Необходимую напряженность поля в точке приема определяют исходя из того, что, учитывая все перечисленные выше поправки, уровень поля полезного сигнала в точке приема должен превышать уровень шумов в точке приема на заданную величину отношения сигнал/шум на входе приемника.

Расчет следует производить по следующей формуле

             (1.1)

где           - необходимый уровень напряженности поля полезного сигнала, дБ/мкВ/м;

- уровень шумов в точке приема, дБ/мкВ/м;

- отношение сигнал/шум на входе приемника, соответствующее заданному отношению на выходе, дБ;

 - поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности от мощности 1 кВт, для которой составлены графики МККР, дБ;

 - поправка, учитывающая отличие высоты установки антенны АС от высоты 10 м, для которой составлены графики МККР, дБ;

 - поправка на медленные замирания- при отличии заданного процента приемных пунктов, в которых обеспечивается напряженность поля, показанная на графиках МККР, от 50%, дБ;

 - поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие  заданного процента времени превышения данной напряженности поля, от 50% времени, дБ;

 - поправка, учитывающая отличие реального рельефа местности от принятого при составлении графиков МККР, дБ;

 - неравномерность диаграммы  направленности  приемной антенны в горизонтальной плоскости, дБ.

Следует сразу же заметить, что в рассматриваемом случае передачи в направлении АС-БС, фактически рассчитывается уровень напряженности поля полезного сигнала, необходимый для качественного приема аппаратурой БС, антенна которой находится на высоте 1.5м (высоте подъема антенны НС). При этом передача ведется с границы зоны обслуживания абонентской станцией, находящейся на высоте подвеса антенны БС (150м). Уровень шумов для базовой станции берется такой, как если бы ее антенна находилась бы на своей нормальной высоте подвеса. Такая замена не влияет на конечный результат (радиус зоны обслуживания) и обусловлена спецификой материалов рекомендаций МККР.

Так как расчет ведется в две стороны, во избежание путаницы, все обозначения характеристик аппаратуры базовой станции будут снабжаться индексом "1", абонентской станции - индексом "2". С учетом этого, формула (1.1) запишется как

.                      (1.2)

1.3.2 Расчет уровня суммарного шума

Уровень суммарного шума в точке приема определяется по формуле

                                                    (1.3)

где - уровень шумов в точке приема, дБ/мкВ/м;

- уровень внешних шумов в точке приема, мкВ/м;

 - уровень собственного шума приемника, приведенного к точке приема.

1.3.2.1 Расчет внешних шумов

Если принять, что помехи приходят равномерно со всех направлений, то расчетное значение уровня помех можно определить по формуле:

                                                       (1.4)

где  - уровень внешних шумов в точке приема, мкВ/м;

- уровень помех, рекомендуемый для расчета (показатель помеховой обстановки для БС), мкВ/м;

 - коэффициент направленного действия (КНД) антенной системы БС, отн.ед.

Приняв =1.5 мкВ/м  можно найти уровень внешних шумов

.

1.3.2.2 Расчет внутренних шумов

Известно, что действующая длина приемной антенны (действующая высота) - коэффициент, связывающий напряженность электрического поля в месте расположения антенны с напряжением на ее согласованной нагрузке. При согласовании волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением приемного устройства, напряжение сигнала на входе приемного устройства

                                                               (1.5)

где U - напряжение сигнала на входе приемного устройства, мкВ;

- действующая длина антенны, м;

Е - напряженность поля, мкВ/м.

Аналогично формуле (1.5), уровень собственных шумов приемника, приведенных к точке приема

                                                          (1.6)

где N _со6 - уровень собственного шума приемника, приведенного к точке приема, мкВ/м;

- уровень собственного шума приемника, приведенного ко входу приемника, мкВ;

 1_д - действующая длина антенны, м.

можно найти, зная отношение сигнал/шум на входе приемника и его чувствительность. При узкополосной частотной модуляции пересчет величины отношения сигнал/шум с выхода на вход приемника можно производить по формуле

                                            (1.7)

где       - отношение сигнал/шум на входе приемника, соответствующее заданному отношению на выходе, отн.ед;

- отношение сигнал/шум на выходе приемника, отн.ед;

         - максимальная звуковая частота модуляции, кГц;

- величина девиации, кГц.

.    (3.88 дБ)

В связи с тем, что порог исправляющей способности при ЧМ нельзя определить расчетным путем и учитывая запас на ретрансляцию, величину в любом случае не следует принимать менее 8 дБ (2.51 отн.ед).

Уровень собственных шумов, приведенных ко входу приемника

                                                            (1.8)

где           - уровень собственного шума приемника, приведенного ко входу приемника, мкВ;

- чувствительность приемника, мкВ;

) - отношение сигнал/шум на входе приемника, соответствующее заданному отношению на выходе, отн.ед.

, мкВ.

Действующая длина антенны /12/, м

                             (1.9)

где                   λ - средняя длина волны сигнала, м;

- коэффициент усиления по мощности антенны приемника, отн.ед;

- волновое сопротивление фидера, Ом;

- коэффициент полезного действия (КПД) антенно-фидерного тракта приемной антенны, отн.ед.

КПД антенно-фидерного тракта БС можно найти, зная, что затухание сигнала на прием в нем

                                      (1.10)

где          - затухание сигнала на прием в антенно-фидерном тракте БС, дБ;

 - затухание в дуплексном фильтре, дБ;

 - затухание в кабеле, дБ;

 - коэффициент усиления приемного устройства разделения, дБ.

, дБ.

КПД антенно-фидерного тракта приемной антенны

                                                      (1.11)

где            - коэффициент полезного действия (КПД) антенно-фидерного тракта приемной антенны, отн.ед.;

 - затухание сигнала на прием в антенно-фидерном тракте БС, дБ.

.

Действующая длина приемной антенны БС

Уровень собственных шумов приемника, приведенных к точке приема, определенный по формуле (1.6)

, мкВ.

Теперь по формуле (1.3) можно определить уровень суммарного шума в точке приема

, дБ.

1.3.3 Определение поправок

Поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности передатчика от мощности 1кВт, дБ

                              (1.12)

где            - поправка, учитывающая отличие от номинальной мощности 1 кВт, для которой построены графики МККР, дБ;

 - затухание в резонаторных и мостовых фильтрах, антенных разделителях и др., дБ;

 - затухание в неоднородностях антенно-фидерного тракта передачи, дБ;

 - затухание в фидере передающей антенны, дБ;

 - неравномерность диаграммы направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости, дБ;

 - коэффициент усиления передающей антенны, дБ.

Сумма выражает общее затухание сигнала в антенно-фидерном тракте передачи носимой станции дБ .

Поправка, учитывающая фактическую мощность передатчика, дБ

                                                         (1.13)

где - фактическая мощность передатчика, Вт.

, дБ.

Тогда, по формуле (1.12), поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности передатчика от 1 кВт

Графики, приведенные в рекомендации №370 МККР, построены для высоты установки антенны АС, равной 10 м. В тех случаях, когда антенну АС устанавливают на другой высоте, следует внести поправку, которую можно рассчитать по формуле

(1.14)

где  - поправка, учитывающая отличие высоты установки антенны АС от высоты 10 м, для которой составлены графики МККР, дБ;

 - высота установки антенны АС, м.

, дБ.

Поправка, вносимая при необходимости обеспечения связи для процента пунктов приема, отличающегося от 50% определяется по графику.

Для обеспечения связи в 90% пунктов приема поправка

дБ.                                                      (1.15)

Для определения поправки на быстрые замирания, учитывающей отличие принятого процента времени превышения данной напряженности поля от 50% *  времени, наиболее приемлемы графики замираний по Буллингтону. Пользуясь этими графиками, можно проводить расчеты с наибольшей степенью точности. Определенная из графика поправка на быстрые замирания для 90% времени

 дБ.                                                            (1.16)

Поправка, учитывающая отличие реального, рельефа местности от принятого при составлении графиков МККР, зависит от среднего колебания высот местности Δh на расстоянии 10 км и более от БС. Для местности с гладким равнинным рельефом (Δh=10 м) поправка, определенная по графику (рисунок 1)

 дБ.

Неравномерность диаграммы направленности приемной антенны БС в горизонтальной плоскости = -1 дБ .

Врельеф, дб

Рисунок 1 – Зависимость поправочного коэффициента ослабления от среднего колебания местности

1.3.4 Вычисление радиуса зоны обслуживания

Теперь по формуле (1.2) можно определить необходимый уровень напряженности поля полезного сигнала

По графику МККР для высоты установки антенны БС 150 м радиус зоны обслуживания

R=30км. (1.18)

Рисунок 2 – Зависимость напряженности поля от расстояния при различных высотах подвеса передающей антенны

Таким образом, с помощью расчета установлено, что при использовании данной аппаратуры связи в зоне обслуживания радиусом порядка 30 км связь в направлении АС-БС будет устанавливаться в 90% времени и мест с отношением сигнал/шум на выходе приемника не хуже 12 дБ. Расчет производился для уровня напряженности внешних помех в месте расположения БС, равного 1.5 мкВ/м.

1.4 Определение оптимальной мощности передатчика БС

Вторым этапом расчета является определение оптимальной мощности передатчика БС, обеспечивающей связь в направлении БС - НС в пределах зоны радиусом 30 км с тем же качеством, что и в направлении НС - БС. Методика расчета искомой мощности сводится к определению неизвестного слагаемого в формуле (1.1) и дальнейшему нахождению требуемой номинальной мощности передатчика из формул (1.12) и (1.13).

1.4.1 Расчет поправки на эквивалентную мощность

Из формулы (1.1) поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности передатчика от мощности 1 кВт

           (1.19)

где - поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности передатчика БС от мощности 1кВт, для которой составлены графики МККР, дБ;

Е_2необх - необходимый уровень напряженности поля полезного сигнала на границе зоны обслуживания, дБ/мкВ/м;

N_2ш - уровень шумов в точке приема, дБ/мкВ/м;

(S/N)_2вх  - отношение сигнал/шум на входе приемника АС, соответствующее заданному отношению на выходе, дБ;

B_h2 - поправка, учитывающая отличие высоты установки антенны АС от высоты 10 м, для которой составлены графики МККР, дБ;

 - поправка на медленные замирания при отличии заданного процента приемных пунктов, в которых обеспечивается напряженность поля, показанная на графиках МККР, от 50%, дБ;

В_зам - поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие заданного процента времени превышения данной напряженности поля, от 50% времени, дБ;

- поправка,  учитывающая  отличие  реального  рельефа местности от принятого при составлении графиков МККР, дБ;

- неравномерность диаграммы  направленности  приемной антенны НС в горизонтальной плоскости, дБ.

Необходимый уровень напряженности поля полезного сигнала определен на первом этапе расчета

Е_2необх= 46.3 дБ.

1.4.2 Оценка уровня суммарного шума.

1.4.2.1 Расчет уровня собственных шумов.

Уровень шумов в точке приема складывается из внешних шумов и собственных шумов приемника, пересчитанных к точке приема, и может быть вычислен по формуле (1.3).

Уровень собственных шумов приемника, пересчитанных к точке приема,

                                                    (1.20)

где N_2co6  - уровень собственного шума приемника АС, приведенного к точке приема, мкВ/м;

- затухание сигнала в антенно-фидерном тракте АС, отн.ед;

(S/N)_2ex - отношение сигнал/шум на входе приемника  АС, соответствующее заданному отношению на выходе, отн.ед;

- действующая длина антенны АС, м.

Величину (S/N)_2вх следует, как и в первой части расчета, принять равной 8 дБ (2.51 отн.ед).

Антенной АС служит четвертьволновой вибратор, действующую длину которого можно определить по формуле

                                                  (1.21)

где - действующая длина антенны АС, м;

- средняя длина волны при передаче в направлении БС-АС, м.

, м.

Теперь можно найти уровень собственного шума приемника АС

, мкВ/м.

1.4.2.2 Оценка помеховой обстановки.

Уровень внешних шумов в пределах зоны обслуживания различен и может достаточно сильно меняться как во времени, так и в пространстве. Ясно, что влияние шумов и помех на качество связи, будет сильнее всего ощущаться на границе зоны обслуживания. Оценка помеховой обстановки во всей зоне - сложная и неоднозначная задача. Лучший способ получения этих данных -экспериментальные измерения. Несмотря на это, ниже приведен один из методов прогнозирования уровня шумов, и хотя он дает результаты для конкретных условий приема, имеет смысл задаться ими, считая, что эти условия считаются худшими.

Известно, что помеховая обстановка в зоне действия сухопутной мобильной радиосвязи в диапазоне частот 30 - 1000МГц (помехи от других станций не рассматриваются) определяется в основном электромагнитным излучением электрооборудования автотранспорта, которое представляет собой нестационарный случайный импульсный процесс с явно выраженной тенденцией к группированию импульсов.

Ниже произведена оценка помеховой обстановки с помощью системы статистических характеристик, составленных путем многочисленных экспериментов. Под системой статистических характеристик подразумевается совокупность данных, с помощью которых целесообразно оценивать параметры процесса помех и их изменчивость в ограниченных интервалах уровней, частоты, времени и пространства.

В используемой методике большое количество источников помех в автомобиле (около двадцати) в зависимости от уровня создаваемых помех условно разделены на две группы: 1) источники "высоких уровней", 2) источники "низких уровней".

В рассматриваемом случае показателем помеховой обстановки служит среднее эффективное значение напряженности поля помех

                                                    (1.22)

где - среднее эффективное значение напряженности поля помех, мкВ/м;

- среднее эффективное значение напряженности поля помех первой группы, дБ;

- среднее эффективное значение напряженности поля помех второй группы, дБ.

Среднее эффективное значение напряженности поля помех первой и второй групп источников соответственно

                        (1.23)

где     - значение амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой и второй групп соответственно, дБ;

- среднеквадратическое  отклонение  амплитуд  импульсов помех, создаваемых источниками первой и второй групп соответственно, дБ;

 - средняя частота повторения импульсов помех амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой и второй групп соответственно, на нулевом уровне, имп/с;

П_пр - полоса пропускания приемного устройства, для которого определяется помехоустойчивость, Гц;

П_из=120кГц- полоса,  в  которой  измерены  параметры помеховой обстановки, Гц;

Р_о- вероятность превышения группой импульсов уровня 0 дБ, отн.ед;

S- показатель зависимости затухания процесса от расстояния между источником помех и приемником, дБ.

Среднее значение и среднеквадратическое отклонение амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой группы, может быть определено из графика амплитудно-частотной статистической характеристики. Те же показатели для источников второй группы определяются с помощью эмпирических соотношений

                                           (1.24)

где - среднее значение амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками второй группы, дБ;

- среднее значение амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой группы, дБ;

f₀ - рабочая частота, МГц.

                                                       (1.25)

где S_E2- среднеквадратическое  отклонение  амплитуд  импульсов помех, создаваемых источниками второй группы, дБ;

S_El - среднеквадратическое  отклонение  амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой группы, дБ.

Средняя частота повторения импульсов помех в группах на нулевом уровне определяется по диапазону частот из графика.

Средняя частота повторения импульсов помех, созданных каждой группой источников, на нулевом уровне F_0uмn определяется по диапазону частот из графика.

Средняя частота повторения импульсов помех, созданных каждой группой источников, на нулевом уровне, имп/с

,                                              (1.26)

                                              (1.27)

где     q₁ и q₂ - весовые коэффициенты закона распределения вероятности амплитуд  импульсов  для  первой  и  второй  групп соответственно.

Эти коэффициенты можно найти, воспользовавшись эмпирическими соотношениями

,                                     (1.28)

.                                                          (1.29)

Вероятность превышения группой импульсов уровня ОдБ Р_о = 0.935 в рассматриваемом случае.

Зависимость затухания процесса от расстояния между источником помех и приемником, дБ

                                                       (1.30)

где λ - длина волны, м;

r₀ =3м - кратчайшее расстояние между антенной измерительного комплекса и движущимся источником;

r_i - расстояние от источника помех до приемной антенны АС, м.

Далее будет определен уровень напряженности поля помех носимой радиостанции на границе зоны обслуживания. Так как считается, что зона обслуживания охватывает весь город, его граница будет проходить за его чертой. Исходя из этого, расчет уровня шумов проведен для радиостанции, находящейся в 7м от автомагистрали.

Из графиков найдены среднее значение амплитуды импульсов помех, создаваемых источниками первой группы

 дБ;

и среднеквадратическое отклонение амплитуд импульсов помех, создаваемых источниками первой группы

дБ.

По формулам (1.24) и (1.25) можно найти те же показатели для источников второй группы

, дБ,

, дБ.

По графику, средняя частота повторения импульсов помех в группах на нулевом уровне

имп/с.

С помощью формул (1.26) - (1.29) найдены частоты повторения импульсов помех, создаваемых каждой группой источников

q₁ = 0.164 + 0.034 • (lg f₀ -1.48) = 0.164 + 0.034 • (lg415.5 -1.48) = 0.203,

q₂=1-q_i =1-0.203 = 0.797,

, имп/с,

=1300·0.797 = 1036, имп/с.

Показатель зависимости затухания процесса от расстояния мисточником помех и приемником, определенный по формуле (1.30)

, дБ.

Полосу пропускания приемника АС можно найти по формуле

                                      (1.31)

где П_пр - полоса пропускания приемника, кГц;

- величина девиации, кГц;

F_max - максимальная звуковая частота модуляции, кГц.

, кГц.

Среднее эффективное значение напряженности поля помех первой и второй групп источников найдено по формуле (1.23)

Среднее эффективное значение напряженности поля помех определено по формуле (1.22)

, мкВ/м.

Так как антенна АС имеет круговую диаграмму направленности и коэффициент усиления 0 дБ, выигрыш по величине отношения сигнал/шум, который дает направленное действие антенны, можно не учитывать. При этом уровень внешних шумов АС

= 2.64 мкВ/м.

По формуле (1.3) уровень суммарного шума в точке приема

, дБ.

1.4.3 Определение поправок.

Поправка, учитывающая отличие высоты подвеса антенны АС от высоты Юм, для которой составлены графики МККР, была найдена в первой части расчета и согласно формуле (1.14)

дБ.

Поправка на медленные замирания при отличии заданного процента приемных пунктов, в которых обеспечивается напряженность поля, показанная на графиках МККР (90%) от 50% была найдена в первой части расчета и согласно формуле (1.15)

дБ.

Поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие заданного процента времени превышения данной напряженности поля (90%) от 50% времени была найдена в первой части расчета и согласно формуле(1.16)

В_зам= 3.5 дБ.

Поправка, учитывающая отличие реального рельефа местности от принятого при составлении графиков МККР была найдена в первой части расчета и согласно формуле (1.17)

 дБ.

Неравномерность диаграммы направленности антенны носимой станции

= 0 дБ .

Теперь можно определить по формуле (1.19) поправку, учитывающую отличие эквивалентной мощности передатчика БС от мощности 1 кВт

1.4.4 Определение номинальной мощности передатчика.

Из формулы (1.12) поправка, учитывающая номинальную мощность передатчика базовой станции

,             (1.32)

где     - поправка, учитывающая отличие от номинальной мощности 1 кВт, для которой построены графики МККР, дБ;

В_]рэкв- поправка, учитывающая отличие эквивалентной мощности передатчика БС от мощности 1 кВт, дБ;

 - затухание в резонаторных и мостовых фильтрах БС, антенных разделителях и др., дБ;

- затухание в неоднородностях антенно-фидерного тракта передачи БС, дБ;

- затухание в фидере передающей антенны БС, дБ;

- неравномерность диаграммы направленности передающей антенны БС в горизонтальной плоскости, дБ;

- коэффициент усиления передающей антенны БС, дБ.

Затухание в фильтрах и устройствах антенно-фидерного тракта, дБ

,                                       (1.33)

где       - затухание сигнала в устройстве сложения, дБ;

- затухание сигнала в дуплексном фильтре, дБ;

К_АР - коэффициент деления мощности антенного разветвителя, дБ.

, дБ .

Если принять, что =-1 дБ, по формуле (1.32), поправка, учитывающая номинальную мощность передатчика

=

          = 19.5 - 10.3 - 1 - 3.14 - 1 + 7.3 = 11.4 , дБ.

Из формулы (1.13), искомая номинальная мощность передатчика базовой станции

                                        (1.34)

где      - номинальная мощность передатчика БС, Вт;

В_1рном - поправка на номинальную мощность передатчика, дБ.

 ,Вт.

1.5 Анализ результатов расчета

В результате проведенных расчетов были получены следующие результаты.

1. Радиус зоны обслуживания системы транкинговой радиосвязи с мобильными объектами R=30 км.

2. Оптимальная мощность передатчика БС  ≈ 70 Вт.

Замечания к первому пункту:

а) расчет проведен только для данной аппаратуры и конкретной, рассмотренной выше комплектации антенно-фидерного тракта;

б) в качестве абонентской станции в расчете выбрана носимая станция;

в) связь в рассчитанной зоне будет устанавливаться в 90% времени и в 90% мест;

г) расчет производился при уровне помех для базовой станции 1 мкВ/м;

д) полученная величина радиуса зоны обслуживания системы является максимально возможной при заданных условиях;

е) главным фактором, ограничивающим дальность связи в системе, приданной комплектации антенно-фидерного тракта, является мощность передатчика АС, поэтому расчет производился в направлении от абонентской станции к базовой;

ж) дальность связи может быть увеличена уменьшением затухания на прием в антенно-фидерном тракте БС или увеличением высоты подвеса антенны, или, также, применением ретрансляторов.

Замечания ко второму пункту:

а) расчет проведен только для данной аппаратуры и конкр, рассмотренной выше комплектации антенно-фидерного тракта;

б) в качестве абонентской станции в расчете выбрана носимая станция;

в) при оптимальной мощности передатчика качество связи в направлении АС-БС будет таким же как и в направлении БС-АС;

г) расчет производился при уровне помех для носимой станции, имеющих место на расстоянии 7м от автомагистрали за чертой города, что считалось худшими условиями приема на границе зоны обслуживания;

д) полученная величина оптимальной мощности передатчика рассчитана для максимально возможной зоны обслуживания системы;

е) если опыт эксплуатации системы покажет, что достаточно меньшей зоны обслуживания, мощность передатчиков БС системы может быть понижена в целях экономии электроэнергии и улучшения электромагнитной обстановки в месте действия системы;

ж) если необходимо, чтобы находясь в условиях, когда ведение передачи невозможно, АС могла обеспечить прием переговоров своей разговорной группы, имеет смысл увеличить мощность передатчиков БС выше рассчитанного значения;

з) при увеличении мощности передатчиков выше оптимальнойI становится невозможной сигнализация радиостанциями выхода из зоны обслуживания, т.к. она происходит при невозможности приема АС сообщений контрольного канала.

2 Расчет качества обслуживания системы

2.1 Выбор математической модели системы

Целью данного расчета является определение показателей качества обслуживания рассматриваемой системы. При проектировании системы выбор показателей качества обслуживания зависит от принципа работы системы, а их значения от исходных данных, которыми необходимо задаться. Вследствие этого необходимо рассмотреть работу системы транкинговой связи с точки зрения теории распространения информации и выбрать математическую модель, оптимально описывающую работу системы.

2.1.1 Выбор характеристик потока вызовов в системе

Прежде всего, следует охарактеризовать поток вызовов системы. Вызов - требование на установление соединения, поступившее в сеть связи. В рассматриваемом случае вызов осуществляется нажатием тангеты на радиостанции. Вызов характеризуется только моментом поступления. Вызовы подразделяются на несколько видов. В расчете будут использоваться: обслуженный, т.е. получивший соединение и задержанный, т.е. ожидающий начало установления соединения из-за отсутствия в момент поступления свободных линий (поставленный в очередь).

Множество последовательных моментов поступления вызовов образует поток вызовов. Так как последовательность моментов поступления вызовов случайна, поток вызовов будет случайным. Случайные потоки вызовов классифицируются в зависимости от наличия или отсутствия трех следующих свойств: стационарности, последействия и ординарности.

Стационарность означает, с течением времени вероятностные характеристики потока не меняются. Стационарность потока равносильна постоянной плотности вероятности поступления вызовов в любой момент времени, иначе говоря, для стационарного потока вероятность поступления i вызовов за промежуток длиной t зависит только от величины промежутка и не зависит от его расположения на оси времени.

Реально поступающий поток вызовов имеет явно выраженный нестационарный характер, однако всегда можно выделить промежуток, в течении которого поступающий поток вызовов будет близок к стационарному. В расчете целесообразно рассматривать поток вызовов именно как стационарный, при этом следует задаться условием, что нагрузка в системе в рассматриваемый промежуток выше среднесуточной. Представление потока нестационарным приведет к существенному усложнению расчета, но сильно повысит его точность.

Последействие означает зависимость вероятностных характеристик потока от предыдущих событий. Иными словами вероятность поступления вызовов в промежуток [t₁, - t₂] зависит от числа, времени поступления и длительности обслуживания вызовов до момента t₁. Поток вызовов, поступающий от достаточно большой группы источников, близок по своим свойствам к потоку без последействия. Поток от малой группы, наоборот, обладает заметным последействием. На основании этого, поток вызовов рассматриваемой системы можно отнести к потокам без последействия.

Ординарность означает практическую невозможность группового поступления вызовов. Иначе говоря, вероятность поступления двух и более вызовов за любой бесконечно малый промежуток времени ∆t есть величина бесконечно малая более высокого порядка чем ∆t, т.е. P_i≥2(∆t) = 0(∆t). В рассматриваемой сети связи поток вызовов является неординарным.

Следует так же знать, что интенсивность стационарного потока есть математическое ожидание числа вызовов в единицу времени.

Проведенные выше исследования показывают, что к рассматриваемому потоку можно применить модель простейшего потока вызовов.

2.1.2 Определение характеристик дисциплины обслуживания

Далее необходимо охарактеризовать дисциплину обслуживания системы. Поступающие потоки сообщений могут быть обслужены без потерь или с потерями. В первом случае для передачи каждого сообщения немедленно предоставляется требуемая линия соединения, во втором - часть сообщений получают отказ в обслуживании или обслуживание их задерживается на некоторое время. По экономическим соображениям реальные системы проектируются с потерями.

Потери сообщения бывают явными и условными. Обслуживание с явными потерями предполагает, что сообщение и соответствующий ему вызов при получении отказа в немедленном соединении полностью теряются и на обслуживание больше не поступают. Условные потери выражаются в задержке передачи сообщения сверх допустимого срока.

Рассматриваемая система, строго говоря, является системой с комбинированными потерями. На основании раздела 3 проекта, существует вероятность потери вызова из-за того, что АС временно находится в неблагоприятных условиях приемопередачи, хотя и в пределах зоны обслуживания. Такие потери относятся к явным. В благоприятных условиях при поступлении вызова в момент занятости всех каналов происходит постановка вызова в очередь, т.е. происходит задержка передачи сообщения. В определении качества связи явные потери вызова учитываться не будут, и система связи будет рассматриваться как система с ожиданием.

Очередь можно охарактеризовать как общую ко всем каналам. Выбор источников из очереди и предоставление освободившихся каналов будет происходить по приоритетам, согласно порядку поступления вызовов. Длина очереди не ограничивается.

2.1.3 Выбор подлежащих расчету показателей качества обслуживания

Для системы с ожиданием характеристиками качества обслуживания являются:

а) вероятность ожидания для поступившего вызова;

б) вероятность превышения длины очереди заданной величины;

в) средняя длина очереди;

г) средняя длительность ожидания;

д) вероятность ожидания свыше допустимого времени.

В расчете будет достаточно определить вероятность ожидания для поступившего вызова и среднюю длительность ожидания как для всех вызовов, так и для вызовов каждого уровня приоритета.

Вероятность превышения длины очереди данной величины, средняя длина очереди и вероятность ожидания свыше допустимого времени представляются не важными характеристиками, т.к. не существует ограничений длины очереди и времени ожидания, реально влияющих на качество связи.

2.2 Прогнозирование нагрузки в системе

Для расчета показателей качества обслуживания необходимо произвести прогнозирование нагрузки системы. Нагрузка, а точнее обслуживаемая в момент времени t нагрузка, есть число i{t) одновременно обслуживаемых вызовов или, что то же, число занятых линий. Математическое ожидание нагрузки называют интенсивностью нагрузки. При измерениях на конкретном пучке определяют среднюю интенсивность нагрузки как среднее число занятых линий за определенный промежуток времени. Интенсивность нагрузки измеряется в эрлангах (Эрл). Интенсивность нагрузки 1Эрл создается одной непрерывно занятой линией. В системах с ожиданием интенсивность нагрузки ожидания численно характеризует среднюю длину очереди.

Для прогнозирования нагрузки системы имеет смысл провести так называемый предварительный флитмэппинг, т.е. распределение парка АС по эшелонам и группам. Для облегчения расчета можно задаться условием равномерности этого распределения, т.е. весь парк АС разбивается на одинаковые эшелоны, каждый эшелон - на одинаковые группы, причем, в каждой группе одинаковое число радиостанций.

Предлагаемый вариант предварительного флитмэппинга изображен на рисунке 3. Весь парк АС делится на три эшелона. Каждый эшелон контролируется диспетчером, которому присвоен высший уровень приоритета - 4 (5-ый уровень приоритета зарезервирован для аварийных вызовов при экстремальных ситуациях). Каждый эшелон включает в себя три группы. Радиостанции группы можно условно разделить на три вида. Состав группы:

а) одна АС с уровнем приоритета 3 и доступом в другие группы и в проводную телефонную сеть общего пользования;

б) одна АС с уровнем приоритета 2, доступом в другие группы и без доступа в проводную телефонную сеть общего пользования;

в) восемнадцать АС с уровнем приоритета 1 без доступа в другие группы и в проводную телефонную сеть общего пользования.

Время обслуживания одного вызова - случайная величина со средним значением t=15c, в теории распределения информации эта величина принимается за условную единицу времени (у.е.в.)

Считается, что диспетчер за час делает шесть вызовов, из них два -конфиденциальных, а четыре - групповых.

Так же считается, что от каждой станции первого вида в час поступает шесть вызовов, из них один в телефонную сеть общего пользования, один - в другую группу, либо к диспетчеру, либо конфиденциальный вызов (все эти вызовы будем называть индивидуальными), и четыре - групповой вызов своей группы.

Рисунок 3 - Схема распределения парка АС

Абоненты станций второго вида в час делают по четыре вызова, из них один - индивидуальный, три - групповой вызов своей группы.

Абоненты станций третьего вида в час делают по два вызова своей группы.

Для удобства все эти данные сведены в таблицу 4.1.

В таблице интенсивность нагрузки находилась по формуле

                                                  (2.1)

где  - интенсивность нагрузки, Эрл;

t - среднее значение времени обслуживания одного вызова, c;

N - количество вызовов в час;

3600 - количество секунд в одном часе.

Таблица 2 - Распределение нагрузки между АС

Вид АС	Кол-во АС	Число вызовов в час						Нагрузка, Эрл
		индивид.		групп.		любых
		каждый	всего	каждый	всего	каждый	всего	инд.	груп.	любой
Диспетчер	3	2	6	4	12	6	18	-	-	0.075
АС1	9	3	27	3	27	6	54	-	-	0.225
АС2	9	1	9	3	27	4	36	-	-	0.150
АСЗ	162	0	0	2	324	2	324	-	-	1.35
Всего	183	-	42	-	390	-	432	0.175	1.63	1.8

2.3 Расчет показателей качества обслуживания системы

Вероятность ожидания для простейшего потока вызовов

                                (2.2)

где      υ - количество разговорных каналов, предоставляемых системой;

 - интенсивность нагрузки всей системы, Эрл.

Рассматриваемая в проекте система является пятиканальной. Один из каналов служит контрольным, а четыре остальных - разговорными. При расчете качества связи следует считать, что υ =4.

Для исходных данных, приведенных выше, вероятность постановки в очередь

Для каждого вызова вероятность постановки в очередь будет составлять около 13%.

Имеет смысл рассчитать вероятность постановки в очередь для случая, когда из строя выведен один канал, а три продолжают работать и для случая, когда два канала не работают, а два других продолжают функционировать:

Таким образом, при выходе из строя одного канала в очередь будут поставлены уже около 35% вызовов, а двух каналов - около 85% вызовов. При выходе из строя трех каналов, система не будет справляться с принятой в расчете нагрузкой.

При расчете средней длительности ожидания не будет учитываться, что если в очередь поставлены несколько абонентов одной группы, в случае группового вызова, при предоставлении канала одному из них, остальные, стоящие в очереди, так же получают соединение и из очереди исключаются. Это будет увеличивать длительность обслуживания вызова и, как следствие, уменьшать интенсивность потока освобождений каналов, что увеличит, в свою очередь, время ожидания. Исходя из этого, в расчете считается, что уменьшение очереди за счет исключения из нее вызовов, получивших соединение при предоставлении канала одному из стоящих впереди вызовов группы не влияет на среднюю длительность ожидания. Необходимо заметить, что это условие будет полностью выполняться для вызовов высших приоритетов. Для вызовов низших приоритетов среднее время ожидания будет несколько ниже полученного в расчетах. Уменьшение средней длительности ожидания будет происходить за счет предоставления канала групповому вызову высшего приоритета, имеющему меньшее среднее время ожидания.

Среднюю длительность ожидания без учета уровней приоритета можно найти по формуле

                                                       (2.3)

где - средняя длительность ожидания задержанного вызова в условных единицах времени (у.е.в.);

υ - количество  разговорных каналов, предоставляемых системой;

- интенсивность нагрузки всей системы, Эрл.

Среднее время ожидания при выходе из строя одного и двух каналов можно так же определить по формуле (2.3)

Средняя длительность ожидания для вызовов различных приоритетов будет сильно отличаться. Легко видеть, что для вызовов какого-либо отдельного приоритета, эта величина будет зависеть от интенсивности нагрузки, создаваемой вызовами этого приоритета и вызовами более высокого приоритета, и средней длительности ожидания в системе. Можно записать, что

                                                     (2.4)

где - средняя длительность ожидания для вызовов отдельного приоритета, у.е.в.;

к - номер высшего приоритета в системе;

n - номер приоритета, для которого определяется средняя длительность;

- интенсивность нагрузки в системе, создаваемая вызовами i-гo приоритета, Эрл.

Из формулы (2.4) длительность ожидания для вызовов отдельного приоритета

                                                        (2.5)

Далее по формуле (2.5) рассчитаны длительности ожидания для вызовов уровней приоритета с четвертого по первый

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.

Таким же способом проведен расчет средней длительности ожидания для каждого уровня приоритета в случае отказа одного и двух каналов:

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в.,

, у.е.в,

, у.е.в.

В теории распределения информации для упрощения расчетных формул величина t - среднее время обслуживания, принимается за условную единицу времени (у.е.в.), поэтому среднее время ожидания

                                                   (2.6)

где          - среднее время ожидания, с;

t - среднее время обслуживания, с;

- средняя длительность ожидания, у.е.в.

По формуле (2.6) можно перевести значения средних длительностей ожидания для каждого приоритета из условных единиц времени в секунды. Полученные значения, на ряду со значением вероятности постановки в очередь, и будут характеризовать качество обслуживания рассматриваемой системы. Все эти показатели представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Показатели качества обслуживания системы

	Число рабочих разговорных каналов в системе	Вероятность ожидания, %	Среднее время ожидания для каждого уровня приоритета, с
			4	3	2	1
1	4	13	0.512	2.06	3.08	12.3
2	3	35	0.938	3.75	5.63	22.5
3	2	85	5.63	22.5	33.8	135

Как видно из таблицы 3, при выходе из строя одного из пяти каналов системы, качество обслуживания в ней остается удовлетворительным. Введение иерархической системы постановки в очередь даже при аварийном режиме работы системы (выход из строя двух разговорных каналов) позволяет сохранить качество связи для вызовов высших уровней приоритета на достаточно высоком уровне. Все это является достаточно высоким показателем надежности работы системы. Следует также отметить, что при нормальном режиме работы, среднее время ожидания для вызовов с уровнем приоритета 4 - 2 всего в несколько раз превышает время соединения, обусловленное временем срабатывания аппаратуры.

3 Анализ электромагнитной совместимости систем мобильной связи

3.1 Уравнение электромагнитной совместимости (ЭМС)

Уравнение ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственных параметров РЭС полезного сигнала рецептора радиопомех) и мешающих сигналов (источников непреднамеренных радиопомех), при которых обеспечивается требуемое качество функционирования РЭС. Обычно уравнение ЭМС составляют для “дуэльной ситуации, когда оценка ЭМС производится для двух РЭС, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. В общем случае, возможно, учесть несколько источников непреднамеренных радиопомех.

Важнейшими факторами, которые необходимо учитывать при анализе ЭМС РЭС, являются потери при распространении радиоволн на трассе и флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомех.

Считают, что качественная передача информации по радиоканалу обеспечивается в том случае, если выполняются следующие два условия:

- флуктуации уровня полезного сигнала, обусловленные его замираниями как вследствие многолучевости, так и вследствие препятствий, возникающих на пути распространения радиоволн, приводят к уменьшению интенсивности полезного сигнала ниже чувствительности РПМ (определяемой требуемой вероятностью ошибочного приема цифровых сигналов на выходе решающего устройства радиоприемника) не более чем в заданном  проценте времени;

- флуктуации уровня полезного сигнала и непреднамеренной радиопомехи приводят к снижению отношения сигнал/помеха ниже защитного на входе радиоприемника не более чем в заданном проценте времени.

Флуктуации интенсивности полезного и мешающего сигналов в диапазонах волн, выделенных для мобильной связи, подчиняются логнормальному закону, т.е. мощность полезного  и мешающего  сигналов в месте приема (на входе приемника) может быть записана следующим образом

                                (3.1.1)

где    ,  - медианные значения мощности сигнала и радиопомехи; ,  случайные гауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией , определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что для городов с малой и средней этажностью застройки стандартное отклонение =6 дБ, а для пригородов и сельской местности  = 4 дБ).

Тогда  и  выраженные в процентах, определяются интегралами вероятности

                  (3.1.2)

где    Р_мин – чувствительность радиоприемника; А_вх – защитное отношение на входе радиоприемника.

Условия, указанные в формулах (3.1.2), выполняются в процентах времени  и  в том случае, если имеют место следующие соотношения

,                                           (3.1.3)

                                   (3.1.4)

где         - запас на замирания полезного сигнала, обеспечиваемый в системе радиотелефонной связи на входе РПМ.

Баланс мощности в сетях мобильной связи должен быть выбран таким образом, чтобы на границе зоны обслуживания сети всегда выполнялось требуемое соотношение, а территориальный и/или частотный разнос между совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялось соотношение (3.1.4). Принятый выше запас на замирания полезного сигнала соответствует требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигнала для защиты мобильных станций цифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в Рекомендации СЕРТ.

Необходимо учитывать, что энергетические параметры РЭС сотовых сетей связи должны выбираться из условия обеспечения требуемого радиуса зоны покрытия базовой станции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны быть учтены при расчете величины территориального разноса между РЭС.

Таким образом, на основании (3.1.3) и (3.1.4) уравнение ЭМС РЭС может быть записано в следующем виде

                                   (3.1.5)

где       Рмин - чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт;

А - защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ;

 - запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ;

 - мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.

     (3.1.6)

где     - мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт;

 - коэффициент усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;

 - коэффициент усиления антенны РПМ в направлении на РПД, дБ;

 - затухание в антенно-фидерном тракте РПд и РПМ, дБ;

 - ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ, дБ;

 - частотная расстройка, МГц;

 - потери на трассе распространения сигналов от РПД (в данном случае источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято называть основными потерями передачи, которые рассчитываются от входа передающей изотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На рисунке 4 показана структура линии радиосвязи и основные термины, используемые для представления о потерях передачи.

Рисунок 4 - Структура линии радиосвязи

Зависимость ослабления помехи от расстройки  вычисляется по формуле

                           (3.1.7)

где    С - нормировочный коэффициент;

 - спектр сигнала радиопередатчика;

 - нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика).

Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на условия их ЭМС. Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляются особые требования.

При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться едиными нормами на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения.

По мнению ЕRС рекомендации СЕРТ/ЕRС 74-01Е для уровней побочных излучений РЭС сухопутной мобильной службы должны пересматриваться каждые три года в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований и должны быть использованы администрациями в качестве руководства для разработки соответствующих стандартов.

3.2 Нормы частотно-территориального разноса РЭС

В ходе оценки ЭМС РЭС необходимо определить требуемые удаления потенциально несовместимых РПД и РПМ при различных частотных расстройках и при различных вариантах взаимной ориентации их антенн. Полученные результаты для наземных РЭС с учетом принятой модели распространения радиоволн и без учета влияния рельефа местности представляют собой оценку сверху требуемых территориальных разносов.

В случае, если реальные значения территориальных разносов больше чем требуемые, то считается, что ЭМС РЭС обеспечивается. В противном случае может потребоваться введение дополнительных ограничений на мощность излучения, частотную расстройку и (или) пространственную ориентацию и высоту расположения антенн РЭС.

Одним из эффективных способов согласования условий совместной работы РЭС является разработка и реализация норм частотно-территориального разноса (ЧТР) между взаимовлияющими РЭС.

Нормы ЧТР представляют собой совокупность взаимообусловленных значений территориального и частотного разноса РЭС с учетом ориентации их антенн, при которых обеспечивается их ЭМС. На основе норм ЧТР определяются или конкретные рабочие частоты, которые могут быть использованы в сетях мобильной связи, или необходимый для обеспечения ЭМС территориальный разнос для заявленных рабочих частот. Кроме того, нормы ЧТР позволяют установить требования к характеристикам направленности и ориентации антенных систем РЭС в пространстве при заданных рабочих частотах и расстояниях между РЭС.

Нормы ЧТР определяются для конкретных типов РЭС с учетом их энергетических, частотных и пространственных характеристик. В случае удовлетворения требованиям норм ЧТР, ЭМС между РЭС считается обеспеченной.

Нормы ЧТР рассчитываются на основании уравнения ЭМС РЭС (3.1.5). Часто основные потери передачи L(R) при распространении на трассе протяженностью Roт радиопередатчика к радиоприемнику представляют функцией, которую в относительных единицах (дБ) можно записать следующим образом

.                                       (3.2.1)

Для примера, приведем известную формулу основных потерь передачи в свободном пространстве (без учета влияния земной поверхности, атмосферы и других факторов)

                              (3.2.2)

где   f - рабочая частота, МГц;

R - расстояние, км.

На рисунке 5 показана зависимость ослабление радиоволн от расстояния в свободном пространстве для трех диапазонов частот. Наклон данной характеристики составляет 20 дБ на декаду. Модели ослабления радиоволн в приземном слое, соответствующие условиям сухопутной мобильной связи, будут иметь более сложную зависимость и более высокий показатель ослабления, а значит и более крутой спад характеристики ослабления по сравнению с приведенной на рисунке 5.

Рисунок 5 - Зависимость ослабление радиоволн от расстояния в свободном пространстве для трех диапазонов частот

На основании (3.1.5), (3.1.6) и (3.1.8) формула для расчета требуемых значений территориального разноса РЭС будет иметь вид

                                            (3.2.3)

где    D - требуемый территориальный разнос, км;

Z - обобщенный энергетический параметр, дБ.

                   (3.2.4)

Физический смысл параметра Z заключается в том, что он характеризует отношение минимально допустимой мощности полезного сигнала на входе приемника (чувствительность РПМ) к мощности излучаемого помехового сигнала в полосе РПМ с учетом защитного отношения приемника, а также замирания сигнала и помехи на трассе распространения.

Чем больше эта разность, тем ближе могут быть установлены РПД мешающего и РПМ полезного сигналов с сохранением условий обеспечения ЭМС.

Необходимо отметить, что при реальном планировании систем радиосвязи обычно к чувствительности добавляют еще некоторый запас по полезному сигналу для устойчивой работы системы.

Параметр Z объединяет все основные ЭМС - характеристики двух потенциально несовместимых РЭС.

Это обстоятельство позволяет получить обобщенную зависимость требуемого территориального разноса РЭС, работающих в заданном диапазоне частот.

Частные решения для норм частотно-территориального разноса РЭС могут быть получены из общего на основе вычисления значений 4 соответствующих конкретным значениям параметров (энергетических, частотных и пространственных), входящих в выражение (3.2.4).

Обычно нормы ЧТР представляют в виде:

- табличных данных дискретных значений изменяемых параметров РЭС (мощности радиопередатчиков, суммарного взаимного коэффициента усиления антенн РПД и РПМ, чувствительности РПМ, высоты расположения антенн над земной поверхностью, требований к устойчивости обеспечения радиосвязи и др.) и соответствующих им значений частотно-территориальных разносов РЭС;

- графических зависимостей (номограмм) территориальных разносов РЭС от частотной расстройки при заданных типовых значениях других исходных параметров, которые позволяют более гибко определять условия согласования работы РЭС по сравнению с табличной формой.

Особенности применения норм ЧТР.

1. Необходимо помнить, что нормы ЧТР обычно характеризуют «дуэльную» ситуацию и позволяют определить условия совместной работы для пары РЭС при тех или иных ограничениях и моделях распространения. В некоторых случаях нормы ЧТР могут учитывать группу РЭС - источников непреднамеренных помех с заданной плотностью их расположения на местности.

2. Нормы ЧТР целесообразно рассчитывать с некоторым запасом, учитывая несовершенство прежде всего математических моделей распространения сигналов вдоль земной поверхности.

3. При проектировании сетей сухопутной мобильной связи, которые содержат большое количество РЭС, сосредоточенных на ограниченной территории, пользоваться нормами ЧТР бывает нецелесообразно, т.к. необходимо учитывать, что непреднамеренные системные радиопомехи будут представлять собой сумму большого числа пространственно разнесенных источников излучения с различными рабочими частотами. В этой ситуации необходимо проводить более детальную оценку ЭМС РЭС (учитывая наличие и других систем связи) на основе вычислительных программных комплексов с использованием цифровых карт местности.

3.3 Модели распространения сигналов, используемые при анализе ЭМС и проектировании сетей мобильной связи

Задачи, связанные с распространением радиоволн в приземной зоне, весьма сложны, поскольку поле около антенны радиоприемника, как абонента, так и базовой станции представляет собой суперпозицию, полученную при многолучевом распространении сигнала в условиях данной местности. Проблема осложняется влиянием на условия распространения радиоволн мобильных объектов, рассеивающих радиоволны, так и перемещением самих абонентов в зоне неравномерного поля. Уровень сигнала может изменяться от пиковых значений, превышающих средний уровень на несколько единиц и даже десятков децибел, до десятков децибел ниже среднего в зонах сильного замирания.

Для расчета ослабления сигналов при анализе ЭМС и проектировании сетей сухопутной мобильной связи наиболее широко пользуются моделированием, основанным на результатах статистической обработки экспериментальных исследований распространения сигналов вдоль земной поверхности. Такие исследования проводились во многих странах мира для различных условий местности. Некоторые из этих моделей являются общепризнанными и рекомендованы МСЭ для использования при проектировании сетей мобильной связи.

Можно выделить два основных типа моделей, используемых в сухопутной связи.

Первый тип, где в качестве основных параметров, характеризующих местность и условия распространения сигналов, являются эффективная высота расположения антенны и эффективная высота неровностей местности (перепад высот земной поверхности).

Второй тип - модели ослабления сигналов в городских условиях, где рельеф местности обычно не учитывается. Кроме того, целесообразно выделить в особую категорию модели распространения в пределах зданий.

Статистические методы по своей сути не учитывают индивидуальных особенностей конкретных трасс распространения радиоволн и поэтому позволяют оценить средние или медианные уровни сигналов для территории, где проводились испытания.

Все методы расчета должны давать в принципе одинаковые результаты для одинаковых условий. К сожалению, различные рекомендации и модели часто дают разные результаты расчетов. Однако некоторые математические модели распространения радиоволн, построенные на основе экспериментальных данных и описывающие поле в статистически однородной среде (городская территория, пригород, сельская местность, открытое пространство), являются общепризнанными, о чем свидетельствуют Рекомендации ITU и СЕРТ, и могут быть использованы как достаточное приближение для расчета зон покрытия сетей сухопутной мобильной связи и оценки их ЭМС.

3.4 Модели распространения, рекомендованные международным союзом электросвязи (МСЭ)

Для расчета напряженности поля РЭС различных служб в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц в МСЭ была разработана рекомендация ITU-RР.370. Кроме того, имеется рекомендация непосредственно для сухопутной мобильной службы ITU-RР.529, разработанная на основе ITU-RР.370 (в эту рекомендацию включены кривые Okumura) и рекомендация ITU-RР.1146, которая явилась следствием расширения результатов ITU-RР.370 на диапазон волн до 3 ГГц.

Рекомендация IТU-RР.370 является наиболее ранней и наиболее разработанной рекомендацией для расчета напряженности поля радиоволн в диапазоне от 30 до 1000 МГц. Она основана на огромном экспериментальном материале, полученном в основном в Западной Европе и Северной Америке. Рекомендация предоставляет возможность определять напряженность поля на расстояниях от 10 км до 1000 км. Эта рекомендация позволяет учесть высоту передающей антенны в пределах от 37 м до 1200 м и приемной антенны от 1,5 м до 40 м, а также неровности земли от 25 м до 400 м. Кроме того, в рекомендации имеется возможность определения параметров пространственных и временных флуктуаций напряженности поля, а также могут учитываться углы закрытия со стороны приемной и передающей антенн и климатические особенности регионов.

Сфера действия рекомендации ITU-RP.529 предназначенной для расчета напряженности поля применительно к сухопутным мобильным системам связи, практически совпадает с частью сферы действия рекомендации ITU-RP.370, но она не учитывает многих особенностей распространения радиоволн, которые учитываются в рекомендации ITU-RP.370. Расчеты напряженности поля, проведенные по методам рекомендаций ITU-RP.370 и ITU-RP.529 для высоты приемной антенны 1,5 м на частоте 900 МГц примерно совпадают для городской местности до 100 км. для других частот и больших расстояний рекомендация ITU-RP.529 не содержит никаких данных. Высотная зависимость в рекомендации ITU-RP.529 приведена лишь в пределах 1... 10 м и несколько отличается от данных рекомендации ITU-RP.370.

Рекомендация ITU-RP.1146 предназначена для расчета напряженности поля в диапазоне от 1 ГГц до З ГГц. На частоте 1 ГГц расчеты по этой рекомендации должны были бы совпадать с расчетом по методу рекомендаций ITU-RP.370 и ITU-RP.529. Однако, различие в расчетах достигает 20 дБ для расстояний в области 25-120 км. Это вызвано, по-видимому, тем, что в рекомендации ITU-RP.1146 выбран неудачный метод классификации трасс по числу препятствий, дающий возможность произвольного выбора того или иного варианта расчета без надлежащего учета условий распространения радиоволн.

По-видимому, методы рекомендации IТU-RР.370 следует в большинстве случаев считать более предпочтительными по сравнению с другими методами ввиду того, что эта рекомендация основана на очень большом экспериментальном материале и учитывает большее число факторов, влияющих на распространение радиоволн. Однако для условий городской местности и для малых расстояний (менее 10 км) целесообразно пользоваться рекомендацией IТU-RР.529.

3.5 Модель Okumura-Hata

Среди многочисленных экспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильных систем, исследования Okumura считаются наиболее исчерпывающими. На основе измерений им построены кривые напряженности поля сигналов для различных условий городской и пригородной местности. Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Okumura для медианного значения ослабления радиосигнала между двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), были получены Hata и известны как эмпирическая модель Наta для ослабления.

Модель Наta описывает особенности распространения радиоволн над квазиплоской местностью и не учитывает особенности рельефа. Кроме того, предполагается, что антенны базовых станций расположены выше окружающих строений, а размер ячеек при формировании макросотовой структуры сети составляет около 1 км и более. В этом случае потери распространения определяются главным образом процессом дифракции и рассеяния радиоволн на высоте крыш зданий, окружающих абонентскую станцию. Распространение основных лучей от базовой станции происходит выше крыш строений.

Область применения формулы Наta ограничена следующими значениями параметров:

рабочая частота f, МГц                                               150 ... 1000;

высота антенны базовой станции , м           30 ... 200;

высота антенны абонентской станции , м    1 ... 10;

протяженность трассы R, км                             1 ... 20.

В рекомендации IТU-К Р.529 дано уравнение На напряженности поля в следующем виде

       (3.2.5)

где    f- рабочая частота РЭС в МГц;

 - высота расположения антенн БС и АС в метрах.

В формуле (3.2.5) используется поправочный коэффициент на высоту абонентской станции.

.                         (3.2.6)

Коэффициент к в (3.2.5) позволяет расширить действие модели для протяженности трассы до 100 км

,

.

Формула (3.2.5) может быть использована и в диапазоне от 1 ГГц до 2 ГГц с ограничением по дальности до 20 км.

Основные потери передачи L(R) [дБ] при распространении на трассе протяженностью R[км] от радиопередатчика к радиоприемнику в соответствии с этой моделью определяются формулой

                                        (3.2.7)

где     - коэффициенты, зависящие от типа местности, рабочей частоты и высоты расположения антенн РЭС. Формулы для расчета L(R) для различных типов местности представлены ниже.

Потери в городе:

                         (3.2.8)

Потери в пригороде

.                                     (3.2.9)

Потери в сельской местности

.                       (3.2.10)

Потери на открытом пространстве

.                            (3.2.11)

В формулах (3.2.8)-(3.2.11) используются те же поправочные коэффициенты, что и в (3.2.5). Для больших городов с плотной городской застройкой коэффициент  равен

Для корректного использования формул Наta необходимо придерживаться следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности.

1. Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

2. Городская застройка - многоэтажная административная и жилая застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

3. Пригород - одиночные жилые дома, административные здания, магазины высотой 1-3 этажа. Большие площади зеленых насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной застройки.

4. Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы, кустарниковые насаждения, шоссе.

5. Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки без насаждений, неплодородные земли.

На рисунках 6, 7 представлены графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Наta и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц. Значения параметров , указаны на рисунках. Цифрами обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 - пригород; 4 - город; 5 - большой город.

Рисунок 6 - Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Наta в диапазонах 450 МГц и 850 МГц

Рисунок 7 - Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц

Как видно из анализа формул (3.15) - (3.20) для модели Okumura-Hata спад функции основных потерь передачи L(R) существенно зависит от высоты расположения антенны БС и может составлять 30...35 дБ на декаду для R< 20 км и более 50 дБ при 20 км < R< 100 км.

Рассмотрим некоторые аспекты и тенденция увеличения емкости сетей мобильной связи.

Число пользователей сотовых сетей мобильной связи растет значительно быстрее, чем могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый год количество абонентов возрастает на 40%, и предполагается, что данная тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые требования к сети; в частности, довольно остро стоит задача увеличения емкости ячеек и повышения качества передачи звука при телефонных переговорах.

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным доступом (multipleaccess ) к базовой станции. Для обеспечения множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на определенное количество “каналов”, к которым получают доступ пользователи. В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова), освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров.

Разные стандарты организации множественного доступа по-разному “упаковывают” каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественного доступа, основанные, на разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access). Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты АМРS (Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), ТАСS (Total Access Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов “умещается” в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для “разнесения’ по частотам соседних ячеек сети. Благодаря этому можно повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных методов множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа), после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином “временной слот” понимается следующее. Базовая станция, работал на данной частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом, какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало чем отличается от применяемого при мультиплексировании с разделением по времени. Речь обычно передается в оцифрованном виде с компрессией. В качестве примеров ТDМА можно привести следующие стандарты: IS-54 (частотные каналы АМРS шириной 30 кГц делятся на три временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц).

Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод возник недавно именно в телефонии, - в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что часто переводится на русский язык как “растянутый” или “размытый” спектр). Полезная информация как бы “размазывается” по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции. CDMA как метод множественного доступа аналогичен методу модуляции DSSS (direct-sequence spread spectrum) используемому в беспроводных локальных сетях.

Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только знал последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и подслушивания. Для нас же сейчас более важно следующее: если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. для передачи информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей “большой” псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности.

Емкость ячейки сети СDМА определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше СDМА-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети.

Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы знаем, зависит от числа используемых каналов.

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей аппаратуры для СDMA в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в пространстве в процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить емкость сети СDMA с емкостью сети на базе АМРS. На первый взгляд, кажется, что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона СDМА(1,25 МГц) поделить на ширину одного частотного канала АМРS (30 кГц) и выяснить, не больше ли получившееся число, чем 18.

3.6 Расчет межсистемной ЭМС

Требуется провести анализ ЭМС между двумя базовыми станциями (БС) двух различных стандартов сотовой связи (СDМА и D-AMPS), с целью их взаимной беспомеховой (корректной) работы.

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета:

Таблица 4

Характеристика	CDMA	GSM	D-АMPS
Рабочий диапазон	824-840 869-894	880-915	824-840 869-894
Мощность передатчика БС, дБ	40	40	40
Чувствительность приемника БС, дБ	-102	-107	-90
К-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ	16	14	16
, дБ К-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД ,дБ	16	0	16
Разнос каналов, кГц	1250		30
Защитное отношение (сигнал/помеха), дБ	7	9	9
Среда распространения радиоволн	Город	Город	Город

Как видно из таблицы 4, рассчитывать ЭМС сетей EGSM и D-AMPS не имеет смысла, т.к. рабочие диапазоны частот не совпадают.

БС СDМА - приемник помехи.

БС D-AMPS  - источник помехи.

Обе БС работают на одной несущей частоте f = 830 МГц, вследствие этого создают друг другу помехи

1. Расчет нахождения :

          - мощность радиопомехи на входе РПМ (БС СDМА), дБВт.

.

Известно, что:

 = 40 дБ (мощность радиопередатчика источника радиопомех),

= 16 дБ (к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ),

 = 16 дБ (к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД),

 = 1,51 дБ (затухание в антенно-фидерном тракте РПД),

 = 0,1 дБ (затухание в антенно-фидерном тракте РПМ),

= 1 дБ (ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ),

- потери на трассе распространения сигналов от РПД (в данном случае источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ.

 = 40+16+16+1,51+0,1+1 -  =74,61 - ;

Т. к. среда распространения радиоволн - город, далее считаем.

Потери в городе

где  = 30 м (высота антенны базовой станции);

 = 1.5 м (высота антенны абонентской станции);

R = 0.5 км (протяженность трассы - расстояние между базовыми станциями).

Коэффициент k позволяет расширить действие модели для протяженности трассы до 100 км

k = 1 для R<20 км.

Поправочный коэффициент на высоту абонентской станции

,

L_Г =69,55+76,36-20,41-10,6=114,9 дБ.

Суммарные потери на трассе распространения радиоволн составляют 114,9 дБ.

Теперь мощность радиопомехи с учетом потерь в городе

дБ.

Далее применяя уравнение ЭМС РЭС, определяем возможна ли взаимная беспомеховая работа двух базовых станций

 - уравнение ЭМС РЭС

где   k=1,65 (коэффициент, учитывающий допустимый процент времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданного уровня);

дБ;

Р_мин = -102 дБ (чувствительность приемника);

А = 9 дБ (защитное отношение сигнал/помеха).

-102-(-40) > 9+1,65·(0,4)·6.

-62 > 15 - Неравенство не выполняется.

Вывод: взаимная беспомеховая работа невозможна.

Так как стандарт CDMA – широкополосный, с кодовым разделением каналов и передатчик его БС обладает меньшей излучаемой мощностью, нежели передатчик БС стандарта D-АМРS, то дальнейшие рекомендации, в первую очередь, будут относиться к настройке, установке и использованию БС стандарта D-АМРS. Итак, если неравенство не выполняется, то необходимо:

а)  уменьшить мощность Ррпд БС стандарта D-АМРS, что в свою очередь приведет к уменьшению обслуживаемой зоны;

б)  уменьшение  - коэффициента усиления антенны РПД в направлении на РПМ. Это достигается применением направленных (секторных) антенн и их ориентацией в пространстве;

в)  уменьшение  - коэффициента усиления антенны РПМ в направлении на РПД. Это достигается применением направленных (секторных) антенн и их ориентацией в пространстве;

г)  изменение несущей частоты БС D-АМРS.

4 ЭМС сотовых систем связи EGSM-900 и СDМА-800

Исходные данные для расчета

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) сотовых систем различных стандартов, действующих на одной территории, может возникнуть, если рабочие полосы частот в предусмотренных для этих систем диапазонах перекрываются или защитный интервал между ними недостаточен. Особенно тщательного исследования требует случай, когда одна из систем уже развернута и функционирует в выделенных для нее рабочих полосах частот, а вторая планируется к развертыванию на той же или сопредельной территории при дефиците частотных полос.

4.1 Оценка ЭМС систем EGSM-900 и СDМА-800

Распределение рабочих полос частот систем СDМА-800 (передача с БС; передача с МС) или (прием на МС; прием на БС):

- в целом: (873...876 МГц; 828...831 МГц) МГц;

- берем: (879...882 МГц; 834. ..837 МГц).

Полоса, выделенная для стандарта EGSM-900: 880...915 МГц. Следовательно, частотные полосы систем не только перекрываются, но, фактически, часть рабочей полосы частот ЕО приходится на ранее выделенную и занятую полосу системы связи СDМА-800. В связи со сложившейся ситуацией необходимо провести оценку ЭМС этих двух систем.

Из анализа частот EGSM и СDМА, следует, что излучение передатчика БС СЕ воздействует на приемник БС EGSM. В свою очередь излучение передатчика МС EGSM воздействуют на приемник МС СDМА.

При анализе ЭМС проводится расчет для следующих исходных данных:

а) характеристики передатчика БС СDМА:

1)   максимальная мощность излучения БС СDМА: Р_{БС СDМА} =17 Вт;

2)   рабочая частота передатчика БС СDМА: f_{БС СDМА} = 881,25 МГц;

3)   полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика БС СDМА: 1,2 МГц;

4)   потери радиочастотного кабеля, включая потери на радиочастотном разъеме: 3 дБ;

5)   высота установки антенны передатчика БС СDМА: Н_{БС СDМА} =30 м;

6)   КУ секторной антенны передатчика БС СDМА: G_{БС СDМА} =14 дБ;

7)   уровень внеполосного излучения БС СDМА при отстройке от несущей на МГц и более: менее -44 дБ;

б) характеристики приемника МС СDМА:

1)  частота приема МС СDМА: 881,25 МГц

2)  полоса пропускания на уровне З дБ приемника МС СDМА: 1,2 МГц;

3)  выигрыш в отношении S/(N+I) при использовании кодирования: 23 дБ;

4)  КУ антенны приемника МС СDМА: GМС СDМА = 0 дБ;

5)  чувствительность приемника МС СDМА: - 120,65 дБ;

6)  уровень внутрисистемной помехи в системе СDМА: 8 дБ;

7)  требуемое отношение S/(N+I) в системе СDМА: 5,5 дБ;

в) характеристики передатчика МС ЕО$М:

1)    мощность излучения МС EGSM: PМС EGSM = 2 Вт;

2)    несущая частота передатчика МС EGSM: ‚fMC EGSM = 889,6 МГц;

3)    полоса пропускания на уровне З дБ передатчика МС EGSM: 6 МГц;

4)    уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5 МГц и более: менее -60 дБ;

5)    КУ антенны передатчика МС EGSM: GМС EGSM = 0 дБ;

г) характеристики приемника БС EGSM:

1)    частота приема БС EGSM: f_{БС EGSM} = 889,6 МГц;

2)    полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM: 6 МГц;

3)    высота установки антенны приемника БС EGSM: Н_{БС EGSM} = 30 м;

4)    КУ секторной антенны приемника БС EGSM: G_{БС EGSM} =14 дБ;

5)    чувствительность приемника БС EGSM: -107 дБ;

6)    требуемое отношение , S/(N+I) в системе EGSM: 9 дБ;

д) условные характеристики трасс распространения сигналов:

1)    условия распространения сигнала передатчик БС СDМА - приемник БС EGSM: городская застройка;

2)    условия распространения сигнала передатчик БС СDМА - приемник МС СDМА: городская застройка;

3)    условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник МС СDМА: прямая видимость (распространение в свободном пространстве);

4)    условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник БС EGSM: городская застройка.

4.2 Анализ параметров источника полезного и мешающего сигналов

1. Мощность передатчиков:

для передатчика БС СDМА

, дБм;

для передатчика МС EGSM

, дБм.

2. Уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках:

Частоты приемника МС СDМА и передатчика МС EGSM примерно равны

, МГц.

Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках отсутствует. Частоты приемника БС EGSM и передатчика БС СDМА примерно равны

, МГц.

Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках отсутствует.

3. Потери в фидерах:

для передатчика БС СDМА 3 дБ;

для передатчика МС EGSM: 0 дБ.

4. Усиление антенн:

КУ секторной антенны передатчика БС СDМА:G_{БС СDМА} = 14 дБ.

КУ антенны передатчика МС EGSM: G_{MC EGSM} = 0 дБ.

5. Уменьшение уровня мощности для частот передатчика, лежащих вне рабочей полосы частот.

Уровень внеполосного излучения БС СDМА при отстройке от несущей на 2 МГц и более: менее -44дБ.

Уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5 МГц и более: менее -60 дБ.

6. Уменьшение коэффициента усиления антенны передатчика в направлении рецептора.

Секторная антенна БС СDМА должна обеспечивать примерно одинаковое усиление во всех направлениях, в т.ч. и направлении на БС EGSM. Следовательно, уменьшение КУ антенны БС СDМА принимаем равное 0 дБ.

Антенна МС является всенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС EGSM принимаем равным 0 дБ.

7. Итоговые данные по уровню эффективно передаваемой мощности.

С помощью расчета параметров передатчиков, полученные результаты сводятся в таблицу. Для нахождения результата необходимо сложить все строки таблицы.

Таблица 5 - Расчет уровня эффективной передаваемой мощности.

Пара сигнал - помеха	БС EGSM				МС СDМА
	МС EGSM Сигнал		БС СDМА Помеха		БС СDМА Сигнал		МС EGSM Помеха
Параметры	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ
1 Мощность передатчика	33		42,3		42,3		33
2 Уменьшение уровня мощности на гармониках				0				0
3 Потери в фидерах		0		3		3		0
4 КУ антенны передатчика	0		14		14		0
5 Уменьшение уровня мощности вне рабочей полосы частот				44				60
6 Уменьшение КУ ант. в направлении рецептора		0		0		0		0
7 Уровень эффективной передаваемой мощности	+33		+9,3		+53,3		-27

Потери энергии на трассе распространения радиоволн

8., 9. Медианные и дифракционные потери.

Для трассы БС СDМА - БС EGSM.

Определим потери на трассе распространения по формулам Наta

h₁ = h₂= 30 м - высоты антенн БС.

.

Для r > 0,1 км, городская застройка, f = 881,25 МГц

Т.к. берем расстояние между БС меньше 20 км, то α=1,

где  - расстояние между базовыми станциями CDMA и EGSM, км.

4.3 Потери на трассе распространения МС EGSM - БС EGSM

Определим потери на трассе распространения по формулам Hata.

Городская застройка f=889,6 МГц, h₁=30 м - высота расположения антенны БС EGSM, h₂=1 м - высота расположения антенны МС EGSM, r_EGSM - расстояние между МС и БС системы EGSM.

.

В формулах Hata рассматривается несколько случаев, в зависимости от расстояния r_EGSM. В данной задаче целесообразно рассматривать только худший для ЭМС случай, когда r_EGSM > 0,1 км (большее расстояние - большие потери).

Т.к. расстояние между МС и БС меньше 20 км, то α=1,

4.4 Потери на трассе распространения БС СDМА - МС СDМА

Определим потери на трассе распространения по формулам Hata:

Городская застройка f=881,25 МГц, h₁=30 м - высота расположения антенны БС СDМА, h₂=1 м - высота расположения антенны МС СDМА, r_CDMA - расстояние между МС и БС системы CDMA.

.

В формулах Hata рассматривается несколько случаев, в зависимости от расстояния, но в данной задаче целесообразно рассматривать только худший для ЭМС случай, когда r_EGSM> 0,1 км.

Т.к. расстояние между МС и БС меньше 20 км, то α=1,

4.5 Потери на трассе распространения МС EGSM - МС СDМА

Для оценки ЭМС МС систем связи с различными методами разделения каналов при их пространственном разнесении в пределах прямой видимости, целесообразно использовать модель распространения сигналов в свободном пространстве.

Несущая частота передатчика МС EGSM:f_EGSM~889,6 МГц.

где r_MC – расстояние между мобильными станциями CDMA и EGSM, км.

Замирание сигнала. В формулах Hata потери на замирание полезного сигнала лежат в пределах 3,5-17 дБ, в зависимости от расстояния и распространения выше или ниже уровня крыш. Т.к. расстояние между БС и МС - не определено, а сигнал может идти как выше уровня крыш, так и ниже, то берем наибольшие потери на замирание 17 дБ.

Для «худшего случая» потери на замирание мешающих сигналов берем 0 дБ.

Потери в атмосферных осадках сказываются на частотах выше 5 ГГц. На частотах ниже 5ГГц потери практически отсутствуют.

Суммарные потери на трассе распространения подсчитываются с помощью таблицы сложением значений всех строк.

Потери на трассе распространения:

Характеристики рецептора

Коэффициент усиления приемной антенны. КУ антенны МС - 0 дБ, КУ антенны БС - 14 дБ.

Уменьшение коэффициента усиления приемной антенны в направлении передатчика. Секторная антенна БС EGSM должна обеспечивать примерно одинаковое усиление во всех направлениях, в т.ч. и направлении на БС СDМА. Следовательно, уменьшение КУ антенны БС EGSM принимаем равное 0 дБ. Антенна МС является всенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС СDМА принимаем равным 0 дБ.

Таблица 6

Пара сигнал - помеха	БС EGSM				МС СDМА
	МС EGSM Сигнал		БС СDМА Помеха		БС СDМА Сигнал		МС EGSM Помеха
Параметры	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ
Медианные потери	-127,8-		-94,8-		-127,7-		-91,42-
Дифракционные потери	35.2lgrEGSM		35.2lgrБС		35.2lgrCDMA		20lg rMC
Потери при замирании сигнала (интерференция)	17		0		17		0
Потери в атмосферных осадках	0		0		0		0
Суммарные потери на трассе распространения	-144.8-		-94.8-		-144.7-		-91.42-
	35.2lgrEGSM		35.2lgrБС		35.2lgrCDMA		35.2lgrМС

Уменьшение коэффициента усиления антенны из-за рассогласования поляризации. Принимаем равными 0 дБ.

Потери в фидере приемного тракта. Для приемника БС EGSM З дБ. для приемника МС СDМА: 0 дБ.

Таблица 7

Пара сигнал - помеха	БС EGSM				МС СDМА
	МС EGSM Сигнал		БС СDМА Помеха		БС СDМА Сигнал		МС EGSM Помеха
Параметры	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ
Коэффициент усиления в приемной антенне	14		14		0		0
Уменьшение КУ приемной ант. в направл. ист. помехи				0				0
Уменьшение КУ антенны из-за рассогласования поляризаций				0				0
Потери в фидерах		3		3		0		0
Суммарное усиление антенны	+11		+11		0		0

Суммарное усиление антенны определяется с помощью таблицы путем суммирования значений для сигнала и помехи всех строк таблицы:

Суммарное усиление антенны рецептора.

Мощность на входе приемника определяется по результатам проведенных расчетов по таблице 8.

Поправка на несовпадение рабочих частот [K(∆F,B)].

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика МС EGSM: В_т = 6 МГц. Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника МС СDМА: В_R = 1,2 МГц.

Несовпадение частоты приема МС СDМА и передачи МС EGSM равно:

 МГц.

Параметр В позволяющий использовать равен

 МГц.

Таблица 8 - Мощность на входе приемника.

Пара сигнал - помеха	БС EGSM				МС СDМА
	МС EGSM Сигнал		БС СDМА Помеха		БС СDМА Сигнал		МС EGSM Помеха
Параметры	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ	+дБ	-дБ
Уровень эфф. пер. мощн.	+33		+9,3		+53,3		-27
Суммарные потери на трассе распространения	-144,8- 35.2lgrEGSM		-94,8- 35.2lgrБС		-144,7- 35.2lgrCDMA		-91,42- 20lgrMC
Суммарное усиление антенны рецептора	+11		+11		0		0
Мощность на входе приемника - рецептора	-100,8- 35.2lgrEGSM		-74,5- 35.2lgrБС		-91,4- 35.2lgrCDMA		-118,4- 35.2lgrМС
С учетом К (∆F,B)			-113.5- 35.2lgrБС-39				-157,4- 35.2lgrМС-39

Поправочный коэффициент

 дБ.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика БС СDМА  В_Т = 1,2 МГц. Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM  В_R = 6 МГц.

Несовпадение частоты приема БС EGSM и передачи БС СDМА равно

МГц.

Параметр В позволяющий использовать графики на рисунке 8 равен

В = (В_R + В_T)/2 = (6+1,2)/2 = 3,6 МГц.

По графику на рисунке 8 поправочный коэффициент дБ.

Т.о. уровень помехи на входе приемника БС EGSM и MC CDMA значительно меньше уровня полезного сигнала, т.е. условия электромагнитной совместимости двух разных стандартов мобильной связи выполнены.

Рисунок 8 – Зависимость поправочного коэффициента от несовпадения частот

5 Проектирование сотовых сетей подвижной связи (ССПС)

5.1 Подход к проектированию ССПС

Сотовая сеть подвижной связи (ССПС) – информационная сеть, содержащая как радиоканалы, так и проводные каналы, а также звено управления в виде ЦКПС.

Любая сеть считается нормально функционирующей, если возможен обмен информацией между любой парой абонентов этой сети.

Сети различают по их конфигурации.

1.     Полносвязная сеть

К=1/2У(У-1), где

К – количество связей,

У – количество узлов.

Рисунок 9 – Полносвязная сеть

При этом в полносвязной сети У-2 ребра являются избыточными, поэтому по такой схеме ССПС не строится.

2.     Древовидная сеть

Рисунок 10 – Древовидная сеть

         Любая пара узлов связана не более чем одним ребром, используется в ССПС. Специфика работы сети ССПС определяется особенностями радиоканала (равнодоступность, внутрисистемная помеха, внешние помехи).

         При характеристике сети в целом вводят понятие матрицы ее показателей качества.

         С=½½С_ij½½ - матрица пропускных способностей,

         Р₀=½½Р_0ij½½ - матрица ошибок.

         При этом за конкретный показатель качества сети в целом принимают наихудшее значение этого показателя для одного из участков.

         Сеть характеризуется принципом организации сквозного тракта между ее узлами.

1.      Собственно тракт, выделяемый для передачи между узлами сетей на все время активности этих узлов (метод коммутации каналов) – системы 1-го и 2-го поколения.

2.      Поэтапная передача сообщений с запоминанием на промежуточных узлах.

1.                         i                  j                  k                 l

2.                         i                  j                  k                 l

m

         Рисунок 11 – Передача сообщений

2.а Метод передачи сообщения целиком (метод коммутации сообщений).

         2.б Метод передачи сообщений по частям (метод коммутации потоков) – наиболее перспективный с точки зрения пропускной способности, однако требует более сложного управления сетью.

         Пакетная передача позволяет повысить пропускную способность системы за счет использования канала сразу несколькими абонентами (передача сообщений в паузах речи), а также уменьшение среднего времени до получателя при высокой активности абонентов.

5.2 Разделение сетей на иерархические уровни

         Любая сеть состоит из многих разнородных звеньев, поэтому для удобства ее проектирования ее разбивают на 7 уровней, границы между которыми устанавливают так, чтобы взаимодействие между уровнями было минимальным.

         Правило взаимодействия называется межуровневым интерфейсом, а правило взаимодействия элементов одного уровня – протоколом.

         Уровни:

-         физический;

-         канальный;

-         сетевой;

-         транспортный;

-         сеансовый;

-         представительный;

-         прикладной.

Первые три уровня практически полностью характеризуют ССПС. Четвертый и пятый отвечают за роуминг и т.п. Последние уровни характеризуют абонентов (представление информации).

5.3 Физический уровень ССПС

Задача – обеспечение возможностей передачи сообщения по каналу связи с заданным качеством.

Наиболее важное звено – радиоканал.

Этапы:

а) разбиение территории на соты.

Здесь важно правильно выбрать значение R₀ и D с учетом требований высокой пропускной способности и ограничений по быстродействию системы управления сетью и по энергетическим возможностям аппаратуры, предназначеной для передачи по радиоканалу.

Оптимальный вариант – поэтапное введение системы с постепенным расщеплением больших сот на малые.

Пример - ССПС с частотным разделением каналов (FDMA).

Каждая сота должна обслуживать l_max абонентов. Для этого требуется F_соты=l_maxF_a. Для всей системы – F=k l_maxF_a, где k – коэффициент повторного использования частот k»1/3(D/R₀)²; общее число абонентов N=l_maxL, где L – число сот на территории обслуживания, L»1,21(R/R₀)²; частотная эффективность сотовой системы g=N/F»3,6(R/R₀)²/(F_a(D/R₀)².

Таким образом g увеличивается в случаях:

1) (D/R₀) уменьшается – уменьшение размера кластера, т.е. увеличение перекрестных помех; снижение Р_с/Р_ш – достигается помехоустойчивым кодированием;

2) F_a уменьшается – использование 4ФМ, использование ММС – модуляции с минимальным сдвигом – концентрация энергии в узком участке спектра + Гауссовское сглаживание;

         Рисунок 12 – Использование ММС и ФМ

         3) R/R₀ повышается – снижение размеров соты (сейчас R_{0 opt} » 1,6 км) – пока нет.

         В реальности приходится учитывать рельеф местности и характер застройки территории, т.к. эти факторы являются причинами зон затемнения или участков с глубокими интерференционными замираниями.

Поэтому при энергетическом расчете системы сначала рассчитывают радиус сот для некоторого усредненного рельефа по формулам, соответствующим распространению УКВ радиоволн над шероховатой поверхностью, которые позволяют получить среднестатистический результат.

Затем для участков с усложненным рельефом производят специальный усложненный расчет (детерминированный расчет).

После этого с помощью подвижной измерительной аппаратуры для зон со сложным рельефом определяют реальные границы сот и указывают точки, где должны стоять дополнительные станции;

б) выбор диапазона рабочих частот

D-AMPS                                          UMTS (IMF 2000)

NMT-450      AMPS, IS-95      GSM             GSM, DCS - 1800

450                 800                  900         1700  1800  2000  2100  2300   f

         Диапазон ® характеристики радиоканала        ® модуляция

® вид кодирования.

         Рисунок 13 – Диапазоны частот

Характеристики радиоканала.

                   - прямой луч.     

         Рисунок 14 – Прохождение лучей связи

Кроме прямого луча, проходящего через затеняющие объекты, существует две группы отраженных лучей:

-         от близлежащих объектов;

-         от больших удаленных объектов.

Считается, что интенсивность лучей меняется по exp закону и импульсная характеристика канала имеет вид:

0 t_min t_{р max}                                                                             t

         Рисунок 15 – Импульсная характеристика канала связи

t_{р max} ограничивает скорость передачи дискретных сообщений по радиоканалу.

         В диапазоне 800 – 900 МГц предельная скорость R=100…150 бит/сек.

         Величины задержек лучей друг относительно друга характеризует следующая таблица.

Таблица 9 – Величины задержек лучей

	Город	Пригород	Здание
tр max, мкс	5…12	1…7	0,1…0,3
tр ср, мкс	1,5	0,5	<0,1
В, МГц	0,083	0,4	>1,25

         В – интервал корреляции замираний по частоте

.

При использовании простых (УСП – узкополосных) сигналов FT»1; эффективным средством борьбы с многолучевостью является перемежение передаваемых символов (наряду с корректирующим кодированием). Однако, из-за относительно большого интервала корреляции замираний по времени и низкой скорости замираний интервал перемежания оказывается очень большим.

         1 2 3 - посылки

1 i j                                           2 3

Dt > t_замир i j         t

f_I f_II f_III

         Рисунок 16 – Замирания канала связи

R_з=j(V,Q) - скорость замираний.

         В ситуации, когда Dt велико, наряду с перемежением используют прыганье по частоте

.

         Наличие многолучевости, т.о. приводит к необходимости применять наряду с перемежением прыганье по частоте с соответствующим шагом или использовать ШПС, полоса которых F=(6…9)В.

         В зависимости от того, где проходит трасса распространения сигнала, замирания в канале характеризуются законами Релея или Райса. Райсовский закон характерен для связи внутри здания, релеевский – для города. При райсовском распределении и использовании CDMA (ШПС) можно ограничиться одним-двумя каналами обработки в приемнике, т.к. всегда присутствует прямой луч или же добавочно один мощный отраженный луч. В  релеевском  канале приходится увеличивать число каналов обработки до 3-х – 4-х, т.к. ориентируются на отсутствие прямого луча и наличие нескольких одинаковых отраженных лучей;

в) кодирование.

Выбор методов кодирования определяется характером группирования ошибок в канале. При независимых ошибках достаточно использовать мощный корректирующий код (блочный код или чаще сверточный код). При коррелированных ошибках необходимо применять коды, корректирующие пакеты ошибок, однако эти коды имеют большую избыточность, поэтому применяют сочетание блочных и сверточных кодов, используя сверточный код для исправления одиночных ошибок, а блочный – для обнаружения неисправленных ошибок.

Для согласования кода с каналом используют операцию повторения наиболее важных символов кода, т.е. этот символ передается подряд несколько раз и решение о его знаке принимается на основе сравнения. Кроме того, для согласования кода с каналом используют методы многофазной манипуляции (4ОФМ);

г) выбор метода доступа к каналу (МДЧР, МДВР, МДКР – соответственно FDMA, TDMA, CDMA).

Критерием выбора является, с одной стороны, сложность управления доступом и сложность аппаратуры, с другой стороны, пропускная способность системы.

МДЧР (FDMA) – самая простая.

МДВР (TDMA) – используется комбинация МДВР-МДЧР (TDMA-FDMA), сложное управление доступом, высокая пропускная способность.

МДКР (CDMA) – простое управление доступом, сложная аппаратура, потенциально наибольшая пропускная способность, не требуется планирование частотно-временного ресурса.

5.4 Канальный уровень ССПС

Задача канального уровня – довести информацию от заданного количества пользователей с заданным качеством.

Управление распределения ресурса осуществляется двумя способами:

а) самоуправляемый доступ к каналу;

б) предоставление каналов по требованию.

Самоуправляемый доступ хорош тем, что не требует выделения специального служебного канала управления доступом. Применяется в МДЧР и имеет следующий принцип.

Базовая станция на частоте свободного канала передает маркер. АС, выходя на связь, просматривает все частотные каналы и фиксирует сигнал маркера, затем на дуплексной частоте этого канала АС передает сигнал занятия канала. БС, приняв этот сигнал, снимает маркер и передает на АС сигнал разрешения занятия канала. Затем передается служебная информация по соединению с корреспондентом.

Если связь устанавливается по инициативе БС, то используют специальный однонаправленный канал, по которому БС передает вызов и номер свободного рабочего канала, по которому АС подтверждает, что вызов принят.

При предоставлении каналов по требованию выделяется отдельный случайный канал, называемый канал сигнализации. У всех БС, входящих в кластер, эти каналы разные.

АС передает по каналу сигнализации запрос в виде пакета, содержащего служебную информацию. Пакет посылается в режиме случайного доступа к каналу.

БС передает по каналу сигнализации последовательность кадров с необходимыми сообщениями (ответ на вызов с номером РК), либо сама вызывает АС.

Случайный доступ к каналу имеет отрицательную сторону. При большой активности абонентов, когда вероятность столкновения пакетов Ра превышает 18%, время задержки передачи пакета по отношению к длине пакета начинает недопустимо расти.

Требования по достоверности передачи для канала сигнализации более высокие, чем для рабочего канала. Поэтому здесь применяют помехоустойчивые виды модуляции (при более низкой скорости передачи), кодирование с исправлением ошибок и многократную передачу сообщений в пакете.

Управление мощностью передатчиков БС и АС

Позволяет уменьшить средний уровень перекрестных помех в системе и уменьшить размерность кластера и величину защитных частотных интервалов.

Управление мощностью передатчиков АС обеспечивает выравнивание сигналов от ближних и дальних АС на входе приемника БС.

Управление мощностью передатчика БС позволяет за счет снижения среднего уровня помех в дальней зоне уменьшить размерность кластера.

Основная сложность при регулировке мощности связана с тем, что прямой и обратный каналы ССПС разнесены по частоте на 15…45 МГц, поэтому замирания сигналов в этих каналах не коррелированы.

В результате для точной регулировки мощности приходится использовать два уровня управления мощностью – низший и более высокий.

Низший уровень базируется на АРУ приемника:

Рисунок 17 – Структура АРУ

На более высоком уровне для получения более точного результата БС передает пилот-сигнал, ретранслируемый АС.

Оценка уровня пилот-сигнала, принятого на БС после ретрансляции, позволяет уточнить значение мощности передатчика как БС, так и АС.

Пилот-сигнал формируется либо в виде синусоидального колебания, передаваемого вне полосы основного сообщения, либо в виде тестовой кодовой комбинации.

S(t)

f инф. пакет       тест. комбин.   t

                     Аналоговые системы                                  Цифровые системы

         Рисунок 18 – Иллюстрация передачи в разных системах связи

Еще более точный результат можно получить, если осуществить промежуточный прием и оценку тестовой комбинации на АС. При этом сама АС также будет формировать собственную тестовую комбинация для БС.

Главная сложность при точной регулировке мощности – задержка при принятии решения о регулировке.

5.5 Сетевой уровень

Задача – управление взаимодействием элементов ССПС.

1.     Взаимодействие между АС и сетью в целом.

Аб

          БС

                          …                                                    …

        АС     …           …                                      …          …

              1 j      1 m                        1 n     1 s

Рисунок 19 – Взаимодействие на сетевом уровне

Управление в сети может быть:

-         централизованным;

-         децентрализованным.

При централизованном (квазицентрализованном) управлении все операции по взаимодействию с АС выполняет ЦКПС.

При децентрализованном управлении часть функций возлагается на БС и ЦКПС используется только для взаимодействия с другим ЦКПС или с коммутационными станциями ТФОП.

В настоящее время в ССПС используется в основном централизованное управление. Децентрализованный вариант более характерен для WLL (RLL) систем – систем беспроводного абонентского доступа.

На вышеприведенном рисунке изображен централизованный вариант. Важнейшей функцией ЦКПС является идентификация АС и ее обнаружение в режиме роуминга. Кроме того, ЦКПС выполняет все операции, необходимые для взаиморасчетов между оператором и пользователем.

Данная схема обеспечивает идентификацию АС следующим образом: АС передает свой номер на ЦКПС. ЦКПС проверяет этот номер в ОРМ (опорном регистре местоположения). Если номера нет, ЦКПС1 запрашивает ЦКПС2 о наличии этого номера в его ОРМ. Получив положительный ответ ЦКПС1 заносит номер в свой ВРМ (визитный регистр местоположения). Дальнейшее обслуживание ЦКПС1 будет выполнять самостоятельно, не обращаясь к ЦКПС2. При вызове АС абонентом ТФОП запрос поступает на ЦКПС2, а затем переадресовывается на ЦКПС1, который далее взаимодействует с АС – роуминг. Все взаиморасчеты с АС выполняет ЦКПС2 по данным, получаемым от ЦКПС1. Если АС уходит с территории обслуживания ЦКПС1, то ее номер убирается из ВРМ.

При децентрализованом управлении в WLL (RLL) каждая БС имеет свою базу данных (БД), содержащую информацию об абонентах, обслуживаемых на данной территории. ЦКПС здесь выполняет только операции, управляющие соединением с центром коммутации ТФОП или с БС других ЦКПС.

Управление в сети в процессе установления связи.

А. Установление связи по инициативе ЦКПС.

Основная сложность связана с тем, что неизвестно, в какой именно из сот находится АС.

            КС

             РК

                                                КС – канал сигнализации, РК – рабочий канал.

         Рисунок 20 – Процедура установления связи по инициативе ЦКПС

Число различных КС в системе определяется размером кластера. Приемник АС проходит по различным КС и выбирает КС с наибольшим уровнем сигнала, затем на дуплексной частоте выбранного КС (т.е. через выбранную БС) передается квитанция. ЦКПС определяет отношение сигнал-шум в этом КС (в этом случае уже начинает работать система управления мощностью передатчиков).

Если отношение сигнал-шум при связи с выбранной БС хорошее, то ЦКПС передает на АС номер РК, а БС и АС переходят на этот РК. После проверки связи включается разговор, затем отбой, после которого приемник АС переходит в дежурный режим, т.е. в режим просмотра КС.

Данный алгоритм не оптимален с точки зрения момента включения управления мощностью. Лучше производить управление мощностью в РК в процессе проверки связи. Тоже самое касается и проверки отношения сигнал-шум. Эти изменения позволяют уменьшить время занятости КС и, следовательно, уменьшить вероятность столкновения пакетов в КС.

Б. Установление связи по инициативе АС.

АС в дежурном режиме просматривает КС всех БС и при необходимости выхода на связь выбирает канал с наибольшим уровнем сигнала. По этому КС и передается запрос от АС.

Рисунок 21 – Процедура установления связи по инициативе АС

Эстафетная передача обслуживания АС.

При ухудшении отношения сигнал-шум ЦКПС посылает по КС БС тестовые сигналы и выбирает БС с наилучшим отношением сигнал-шум, затем передает номер нового РК на АС и АС переходит на этот канал. Сигнал также переадресуется со старой БС на новую, которая предает его на РК, указанный ЦКПС.

Недостатком такой схемы является явление «пинг-понга» – из-за интерференционных замираний и затенения отношение сигнал-шум для соседних БС на границах сот может сильно варьироваться в ту или иную сторону и происходит многократное взаимное переключение БС. Метод борьбы с этим для CDMA будет рассмотрен далее, в подразделе 5.6.

5.6 Пути усовершенствования ССПС

Существует три пути усовершенствования:

а)  повышение пропускной способности ССПС без увеличения используемого ресурса;

б) повышение надежности поддержания связи с АС.

в)  овышение скорости передачи.

Повышение пропускной способности ССПС

- снижение D/R₀.

Достигается за счет снижения допустимого отношения сигнал-шум (применение цифровых методов передачи, помехоустойчивое кодирование и модуляция).

Другой способ применение секторного обслуживания сот:

                                      120⁰

                                                                  60⁰

                                           120⁰

Рисунок 22 – Секторизация

Был придуман стокгольмский план расположения сот:

Рисунок 23 – Стокгольмский план расположения сот

В данном случае величина D/R0 получается минимально возможной (через одну ячейку), а также, за счет применения антенн с разной шириной ДН, перераспределяется пропускная способность между зонами с большей и меньшей активностью абонентов.

Такой план позволяет обслуживать город с разделением на центральную деловую зону и периферийную зону спальных районов.

Достигается при использовании CDMA, т.к. размерность кластера – единица, и вся полоса частот, отводимая на систему используется в каждой соте;

         - увеличение числа одновременно работающих абонентских станций путем динамического распределения частотно-временного ресурса: пакетный режим передачи (коммутация пакетов) и предоставление РК в паузах речи другим абонентам (длительность пауз – до 45% от общего времени занятия канала);

         - применение методов доступа к каналу эластичных к изменению нагрузки в канале. Обеспечивается при использовании CDMA.

         Для узкополосных систем   .

         Для ШПС (CDMA)   .

         Если число работающих АС велико, то сумма P_ci мало изменится при добавлении еще нескольких АС и, соответственно, мало уменьшится h². Таким образом, мы меняем ухудшение качества связи на увеличение пропускной способности. Другой путь состоит в обмене скорости передачи на количество абонентов.

R=1/T Þ Rmax Þ (TF)min Þ M абонентов при F=const.

Rmin Þ  (TF)max ÞM+K абонентов, где К=const.

         Скорость  символов  на  выходе  вокодера  меняется  в  пределах  8…10 бит/сек.

Повышение надежности:

а) повышение устойчивости работы в канале с замираниями.

Для этого необходимо:

-         осуществлять помехоустойчивое кодирование;

-          перемежение символов;

-          в CDMA - применять сигнал, обеспечивающий разделение лучей при приеме, и методы обработки этого сигнала, позволяющие использовать сигналы лучей для улучшения качества связи.

При обработке возможно два подхода:

-         автовыбор наиболее мощного сигнала луча и прием информации только по этому лучу;

-         раздельная обработка нескольких лучей с последующим сложением результатов обработки. Этот метод обеспечивает выигрыш в несколько дБ. Обычно обрабатывают не более 3 – 4 лучей, что позволяет обеспечить выигрыш по сравнению с узкополосными системами порядка 10дБ и выше.

Для узкополосных систем TDMA-FDMA очень опасной является межсимвольная интерференция: непрерывный поток символов сообщения преобразуется в пакеты, занимающие одно окно в кадре. При этом скорость следования символов в пакете будет в Т_кадра/Т_пакета выше и длительность Т_{символа}  в пакете меньше или равна времени запаздывания между соседними лучами.

Для борьбы с замираниями в этом случае используют перемежение символов и скачки по частоте.

Кроме того, применяют «эквалайзеры» – адаптивные фильтры, позволяющие подавить сигналы всех лучей кроме самого мощного:

1-ый луч

t

2-ой луч

t_з t

                     Одно звено эквалайзера

Рисунок 24 – Борьба с замираниями

Для настройки эквалайзера в составе каждого пакета передается обучающая последовательность, известная на приемном конце, и настройка производится по критерию минимальной ошибки приема этой последовательности.

Кроме перечисленных методов широко используется прием на пространственно разнесенные антенны на БС;

б) уменьшение вероятности срыва связи при эстафетной передаче.

Сбой связи при эстафетной передаче может возникнуть из-за неправильного выбора момента перехода обслуживания на другую БС.

Повышение надежности эстафетной передачи может быть достигнуто за счет дублирования передачи информации к АС через 2 БС (через предыдущую и следующую).

При этом решение об окончании эстафетной передачи принимает сама АС, сравнивая сигналы, поступающие от двух БС.

Порог

на ЦКПС

          начало          дублирование информации          конец   t

          эст. прд.                                                             эст. прд.

             - БС1,               - БС2.

Рисунок 25 – Эстафетная передача

В данном случае система не боится режима «пинг-понга», а вероятность потери связи при эстафетной передаче будет меньше, поскольку сигналы, несущие информацию, складываются между собой.

Увеличение скорости передачи.

Более высокая скорость передачи информации является обязательным требованием к ССПС 3-го поколения:

а) параллельная передача сообщений по нескольким РК;

б) переход к многопозиционной передаче;

в) сочетание а) и б).

Для систем TDMA-FDMA эти способы имеют реализацию:

-        используется несколько временных окон в кадре для использования одним абонентом – при этом снижается пропускная способность системы в целом;

-        увеличение числа градаций фазы (2ФМ ®4ФМ ® 8…16ФМ) – уменьшается помехоустойчивость.

Для CDMA:

-        увеличение общего числа сигналов – не влияет на пропускную способность и помехоустойчивость;

-        сочетание позволяет увеличить скорость в m x k раз (m – число каналов, k – число сигналов).

Если в системе CDMA одновременно действуют два требования – повышение скорости и сохранение пропускной способности, то может использоваться вариант параллельной передачи на одно радионаправление.

При этом в точке приема обрабатываются все сигналы, передаваемые по каналу («свои» и «чужие»). Чужие сигналы затем полностью восстанавливаются и вычитаются из принятой смеси сигналов.

Т.о., окончательно будут приниматься только «свои» сигналы – многопользовательское детектирование. 

                                    Чужие                                                           Свои

Рисунок 26 – Параллельная передача на одно радионаправление

Литература

1.Карташевский В.Г. и др. Сети мобильной связи – М.: ЭКОТ РЕНДЗ, 2001.

2.Громаков Ю.А. Стандарты и системы мобильной радиосвязи. – М.: Радио и связь, 1999.

3.Радиосвязь / Под ред. О.В. Головина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001.

4.Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Е. Зимина. – М.: Радио и связь, 2005.

5.Системы радиосвязи: Учебник для вузов / Под ред. Н.И. Калашникова. – М.: Радио и связь, 2000.

6.Русев  Д. Технологии беспроводного доступа: Справочник. – СПб.: БХВ- Петербург, 2002.

7.Функциональные устройства обработки сигналов (Основы теории и алгоритмы)/Под ред.Ю.В. Егорова. – М.: Радио и связь, 1997.

8.Андрианов В.И., Соколов А.В. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи. - СПб: БХВ Петербург Арлит, 2001.

9.Соколов А.В., Андрианов В.И. Альтернатива сотовой связи: транкинговые системы. – СПб: БХВ Петербург, 2002.

10. Коньшин С.В., Сабдыкеева Г.Г. Теоретические основы систем связи с мобильными объектами: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2002.

11.  Коньшин С.В. Транкинговые радиосистемы: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2000.

12. Коньшин С.В. Мобильные телекоммуникационные радиосистемы: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

13. Коньшин С.В., Ким Д.О. Системы мобильной радиосвязи. Методические указания к лабораторным работам. – Алматы: АИЭС, 2004.

14. Коньшин С.В. Технологии беспроводной связи: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2006.

Коньшин Сергей Владимирович

Клочковская Лариса Павловна