АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра радиотехники

 

СЕТИ И СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 3-ГО ПОКОЛЕНИЯ

 

Программа, методические указания и задания к курсовой работе

(для бакалавров заочной формы обучения специальности

 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации)

 

 

          СОСТАВИТЕЛИ: В.В.Артюхин, М.В.Лановенко. Сети и системы 

мобильной связи 3-го поколения. Программа, методические указания и задания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной формы обучения.

 

Данная разработка предназначена для бакалавров специальности 050719-  «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» заочной формы обучения.

          Программа и методические указания предназначены для помощи в организации процесса изучения теоретического курса и  для закрепления знаний, приобретенных студентами в процессе обучения.  В методических указаниях приведены варианты заданий на курсовую работу, рассмотрены основные направления и порядок проектирования сотовой связи стандарта CDMA. Приводится перечень необходимой литературы и пример расчета сети. 

 

1   Общая информация о дисциплине «Сети и системы мобильной связи 3-го поколения»

 

          Дисциплина "Сети и системы мобильной связи 3-го поколения" базируется на знании студентами разделов обязательных курсов: " Теория электрической связи ", "Теория электрических цепей 1-2", "Цифровые устройства и микропроцессоры", "Технологии беспроводной связи", "Технологии цифровой связи", "Радиосистемы и сети мобильной  связи".

          Виды и объем учебных занятий по дисциплине: лекции, практические занятия, лабораторные занятия, курсовая работа и индивидуальные занятия с преподавателем приведены в таблице 1.1.

Предусмотренные программой данной дисциплины знания имеют самостоятельное значение для формирования необходимых для дальнейшей работы знаний у бакалавров по специализации "Мобильные радиосистемы и сети телерадиовещания".

 

Т а б л и ц а 1.1 – Виды и объем учебных занятий

Курс	4  (Дневное обучение)	5 (Заочное обучение)
Всего часов     (4 кредита)	180
Аудиторные занятия, часов	76	48
Лекции, часов	42 (2,5ч/неделю)	24
Практические занятия, часов	17 (1ч/неделю)	20
Лабораторные работы, часов	17 (1ч/неделю)	4
Самостоятельная работа	112
Семестровые задания	1
Курсовая работа	1	1
Экзамен, семестр	8	10

 

 

2 Рабочая программа и общие методические указания

 

2.1 Введение

 

Содержание и задачи дисциплины. Ее особенности и связь с другими дисциплинами. Значение развития сетей и систем мобильной связи 3-го поколения в научно-техническом прогрессе. Краткий исторический обзор развития техники сетей и систем мобильной связи 3-го поколения.

 

2.2 Роль сетей связи 3G на рынке услуг

 

          Общие сведения о современном рынке телекоммуникационных услуг сетей 3-го поколения (3G). Предпосылки и условия внедрения технологии 3G. Концепция построения систем связи 3G. Услуги передачи данных в сетях третьего  поколения. Общая характеристика услуг в сетях связи 3G. Качество услуг передачи данных. Понятие качества услуг. Технологические аспекты и требования к качеству услуг.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Чем ограничены возможности систем 2G и 2,5G?

2. Что составляет основу концепции построения систем 3G?

3. Для чего необходима высокоскоростная передача данных?

4. Для чего необходима повышенная помехоустойчивость передачи?

5. Что такое качество услуг передачи данных?

6. От чего зависит качество услуг передачи данных?

7. Каким образом учитывается качество услуг передачи данных?

 

2.3 Сети мобильной связи 3-го поколения

 

Архитектура сети UMTS. Сеть радиодоступа UTRAN. Базовая сеть СN. Сетевые интерфейсы и протоколы. Эволюция стандартов 3G. Концепция сети AII IP RAN. Пересылка данных в сети UTRAN по протоколу IP. Концепция Iu flex. Обмен между сетями GERAN и UTRAN.  

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие группы семейства радиоинтерфейсов входят в состав UMTS?

2. На чем основан проект, получивший название CDMA-2000?

3. Из каких элементов состоит сеть радиодоступа UTRAN?

4. Из каких элементов состоит базовая сеть СN?

5. В чем разница между сетевым интерфейсом и протоколом?

6. На чем основано дальнейшее развитие сетевой архитектуры UMTS?

7.В чем заключаются преимущества совместного использования сетей?

 

          2.4 Особенности функционирования подсистемы  радиодоступа UTRAN

 

          Общая характеристика и функциональные особенности каналов  UTRAN. Логические, транспортные и физические каналы. Структура кадров, мультиплексирование данных. Пакетный информационный трафик, распределение пакетов в сети. Виды кодирования, каналообразующие коды. Примеры кодирования каналов UTRAN. Обеспечение качества услуг передачи данных. Управление радиоресурсами в UTRAN.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Назовите основные  типы каналов для технологии WCDMA.

2. В чем отличие структуры кадров  WCDMA  от GSM?

3. Для чего осуществляется мультиплексирование данных?

4. Для чего необходимо выравнивание фрейма?

5. Что такое код скремблирования?

6. Как зависит скорость передачи данных от коэффициента расширения?

7. В чем особенности управления мощностью излучения RRC?

 

          2.5 Модели распространения радиосигналов применительно к сетям 3G

 

          Частотное обеспечение систем 3G. Технические характеристики РЭС UMTS. Факторы, влияющие на состояние радиоканала. Описание моделей распространения сигналов. Модели потерь на трассе распространения сигналов. Типовые модели потерь, применяемые на практике. Международные рекомендации по частотно-территориальному планированию сетей 3G.

 

Вопросы для самопроверки

 

1.Чем обусловлена необходимость распределения радиочастотного спектра?

2. Какими нормативными документами определены основные технические характеристики базовых станций и абонентского оборудования UMTS?

3. К чему приводит многолучевое распространение сигнала?

4.От чего зависит флуктуация уровня принимаемого сигнала?

5. Какими условиями определяется область применения модели Walfish- Ikegami?

6. Для чего используются методы  MCL  и Монте-Карло?

7. Для чего необходимо «выравнивание» несущих частот  сетей UMTS?

 

2.6 Перспективы развития систем 3G

 

          Новые виды модуляции и кодирования. Новые принципы формирования широкополосных сигналов. Адаптивные и многоканальные антенны. Интеграция сетей 3G и WLAN. Новый тип абонентских терминалов.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие  перспективные виды модуляции  рассматриваются для систем 4G?

2. В чем особенность технологии формирования сигналов UWB?

3. В чем особенность технологии многоканальных антенн MIMO?  

4. В чем особенность технологии RoF?

5. В чем особенность технологии HAPS?

6. В чем недостаток многопролетных сетей?

7. В чем особенность стандарта на клавиатуру GKOS?

 

Методические указания

При изучении материала необходимо обратить внимание на роль и место дисциплины в научно-техническом прогрессе, ознакомиться с ходом развития сетей и систем мобильной связи 3-го поколения, определить их место и задачи в современной экономике. Необходимо представлять структуру сетей европейского стандарта UMTS, их отличия от стандарта CDMA-2000 и от стандартов 2-го поколения. Цель курса -  научить основам построения сотовых сетей 3-го поколения, возможностям обеспечения оптимального обслуживания заданной территории, методам расчёта основных параметров сети СDMA варьируя параметры сети, так как три основных параметра сотовой сети, а именно зона покрытия, качество и емкость, в системе CDMA взаимосвязаны и влияют друг на друга. В результате изучения дисциплины студент должен:

- иметь представление о тенденциях развития подвижной радиосвязи, о закономерностях, определяющих связь между показателями качества каналов, энергетическими параметрами системы, показателями эффективного использования полос частот и мощности, экономическими показателями сетей  и систем связи 3-го поколения;

            - знать общие принципы построения сетей и систем подвижной радиосвязи поколения 3G, основные параметры радиоканалов и методы определения этих параметров, основные методы расчёта энергетических параметров систем и технических параметров сетей, назначение и функциональные схемы центров подвижной радиосвязи, структурные схемы центральных базовых и абонентских станций и схемы коммутации аппаратуры станций, принципы построения системы сетевого управления, способы многостанционного доступа, применяемые в системах 3G;

         - уметь рассчитывать медианное отношение сигнал-шум и сигнал-помеха на входе приёмных станций и статистические параметры для этих отношений; рассчитывать и выбирать основные энергетические параметры аппаратуры: радиус ячейки, ЭИИМ, чувствительность приёмника и т.п., исходя из существующих норм на качество канала и реальных параметров трассы; разрабатывать территориальный план 3G для заданной местности; оптимизировать архитектуру сети подвижной радиосвязи по комплексным критериям эффективности.

 

3 Перечень тем лабораторных занятий

 

3.1  Изучение системы передачи данных работы FFSK2 - 2 ч.

3.2  Изучение принципа работы СПСР стандарта CDMA - 2 ч.

 

4 Перечень тем практических занятий

 

На практических занятиях решаются задачи на определение основных характеристик сети. Эти занятия проводятся по следующим темам:

 

4.1 Особенности радиоканалов - 2 ч.

4.2 Модели каналов систем мобильной связи - 2 ч.

4.3 Алгоритмы многостанционного доступа - 4 ч.

4.4 Модели расчета потерь на трассе распространения - 8 ч.

4.5 Характеристики спутниковых систем мобильной связи - 4 ч.

 

5 Курсовая работа

 

5.1 Общие положения курсовой работы

 

Курсовая работа по дисциплине «Сети и системы мобильной связи 3-го поколения» выполняется на заключительном этапе изучения курса и ставит следующие цели:

- систематизация и расширение теоретических и практических знаний по курсу;

- овладение методикой исследования и навыками самостоятельной работы при решении инженерной задачи;

- овладение навыками работы с технической литературой;

- развитие умения использовать вычислительную технику при выполнении расчетов.

В ходе выполнения курсовой работы следует познакомиться с основами расчета бюджета линии связи, которые необходимы для анализа трафик- каналов прямого и обратного соединений, пилот-канала, канала поискового вызова и канала синхронизации.

Цель выполнения курсовой работы - получение навыков по  планированию сетей сотовой связи и расчету основных параметров сетей связи стандарта CDMA.

Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки, со всеми необходимыми расчетами, схемами и графиками.

Курсовая работа завершается её защитой.

 

5.2 Тематика курсовых проектов

 

Курсовая работа по теме «Построение мобильной телекоммуникационной сети стандарта CDMA» выполняется в соответствии с методическими указаниями. Время, необходимое для выполнения курсовой работы, составляет примерно 24 часа.

Согласно варианта, приведенного в таблице 5.2.1 и соответствующего порядковому номеру в журнале группы, необходимо:

-                    произвести расчет отношения сигнал/шум в трафик-каналах, пилот-канале, в поисковом канале и в канале синхронизации;

-                    определить количество активных пользователей в одной соте;

-                    графически определить зависимость между радиусом соты и количеством активных абонентов;

-                    сделать выводы относительно предложенного варианта и возможные пути улучшения качественных  показателей проектируемой сети.

 

          Т а б л и ц а 5.2.1 – Выбор варианта по порядковому номеру в журнале

 

 

 Часть необходимых параметров выбирается по последней цифре номера зачетной книжки из таблицы 5.2.2     

    

          Т а б л и ц а 5.2.2 – Выбор варианта по последней цифре номера зачетной книжки

№	% застройки	Центральная частота f, МГц	Высота антенн БС hb, м	Высота антенн МС hm, м	Eb/Nо	Р(%)- надежность
0	10	825	22	1.1	5	0.70
1	15	827	24	1.2	6	0.80
2	20	830	26	1.3	7	0.90
3	25	833	28	1.4	8	0.70
4	30	835	30	1.5	9	0.80
5	35	837	32	1.6	10	0.90
6	40	840	34	1.7	5	0.70
7	45	843	20	1.8	6	0.80
8	50	845	31	1.9	7	0.90
9	55	847	27	1.1	8	0.70

 

  5.3 Список условных обозначений, сокращений и терминов

 

        Pm       - мощность мобильного терминала

Lm       - потери в кабеле мобильного терминала

Gm       - коэффициент усиления антенны мобильного терминала

Lp       - потери при ориентации антенны мобильного терминала

Lb       - допуск на проникновения в здания

Gc         - коэффициент усиления приемной антенны базовой станции

Lc         - потери в фидере базовой станции

Gt        - коэффициент усиления передающей антенны базовой станции

pt         - эффективная мощность излучения трафик-канала          

       Pt         - мощность от передающей антенны базовой станции

Nt         - число трафик-каналов поддерживаемое одной сотой

Cf         - коэффициент активности речи

Ps          - средний уровень сигнала, требуемый при приеме

Pp         - мощность пилот канала

Ppg       - мощность канала оповещения

Pa        - полная мощность всех трафик-каналов на выходе усилителя

       ЭМИ     - эффективная мощность излучения

R         - скорость передачи данных

W        - ширина канала

FDMA  -частотное разделение каналов

TDMA - временное разделение каналов

CDMA - кодовое разделение каналов

BER    - коэффициент битовой ошибки

F           - эффективность многократного использования частоты

VAF     - средняя активность речи абонента

G          - коэффициент секторизации

 

6 Пример расчета основных параметров сети связи

 

Ниже проведен пример  исследования функциональной зависимости параметров сети. Бюджет линии связи предназначен, для того, чтобы произвести необходимые расчеты отношения принятой битовой энергии к тепловому шуму и плотности интерференции. Расчеты основаны на известных значениях мощности передатчика, коэффициентов усиления передающей и приемной антенн, значении принятых шумов, емкости канала, а также распространении сигнала и интерферирующей среды.  Расчет бюджета линии связи необходим для анализа трафик-каналов прямого и обратного соединений, пилот-канала, канала поискового вызова и канала синхронизации.

 

6.1 Прямое соединение

 

При вычислении эффективного отношения сигнал/шум для пилот-канала, канала синхронизации и канала поискового вызова, необходимо вычислить мощность принятого сигнала и принятой интерференции по каждому каналу. Нижеприведенные расчеты позволят произвести анализ каналов прямого соединения

 

Эффективная мощность излучения трафик канала

 

                                                                                              (1)

или

 

                                           (2)

 

где p_t – эффективная мощность излучения (ЭМИ) трафик канала (дБм);

P_t – ЭМИ всех трафик каналов от передающей антенны базовой станции (дБм);

          N_t – число трафик каналов поддерживаемое одной сотой;

С_f – коэффициент активности речи.

 

, дБм.

 

Мощность, приходящаяся на одного абонента (мобильную станцию)

 

р_u= p_t - G_t - L_c                                              (3)

 

где  р_u – мощность в трафик канале на одного абонента (дБм);

G_t – коэффициент усиления передающей антенны базовой станции(dB);

L_c – потери в фидере базовой станции (дБ).

 

р_u= 48.55 – 14 + 2.5 = 37.05, дБм.

 

Полная мощность базовой станции

 

                            (4)

 

где p_s – мощность канала синхронизации (дБм);

           p_p – мощность пилот-канала (дБм);

 p_pg – мощность канала оповещения (дБм).

 

 

дБм.

 

Усилитель мощности базовой станции

 

                                               Р_а=Р_с - G_t - L_c                                               (5)                                                                                    

 

где Р_а – полная мощность всех трафик-каналов, пилот-канала, поискового канала, и канала синхронизации на выходе усилителя (дБм);

Р_с – полная излучаемая мощность базовой станции (дБм).

 

Р_а= 58.49 – 14 + 2.5 = 46.99 , дБм.

 

Полная мощность принятая мобильной станцией

 

р_m = P_c + L_p + A_l + G_m + L_m                                    (6)

 

где р_m – полная мощность принятая мобильной станцией (дБм);

L_p – средние потери на трассе между базовой станцией и мобильной (дБ);

          A_l – допуск на теневые потери (дБ);

G_m – коэффициент усиления (на приеме) антенны мобильной станции (dB);

L_m – потери в кабеле мобильной станции (дБ).

 

р_m= 58.49 – 146 – 6.2 + 0 – 3 =  – 96.71, дБм.

 

Принятая мощность трафик-канала

 

р_tr  = p_t + L_p + A_l + G_m + L_m                             (7)

 

где р_tr – принятая мобильной станцией мощность трафик-канала от базовой станции (дБм).

 

р_tr = 48.55 – 146 – 6.2 + 0 – 3 = - 106.65, дБм.

 

Принятая мощность пилот-канала

 

                                   р_pr = p_p + L_p + A_l + G_m + L_m                                   (8)

 

где р_pr - принятая мобильной станцией мощность пилот-канала от базовой станции (дБм).

р_pr = 51.5 – 146 – 6.2 + 0 – 3 = - 103.7, дБм.

 

Принятая мощность поискового канала

 

                            р_pgr = p_pg + L_p + A_l + G_m + L_m                                             (9)

 

где р_pgr - принятая мобильной станцией мощность поискового канала от базовой станции (дБм).

р_pgr=46.94 – 146 – 6.2 + 0 – 3 = -108.26, дБм.

 

Принятая мощность канала синхронизации

 

р_sr = p_s + L_p + A_l + G_m + L_m                              (10)

 

где р_sr - принятая мобильной станцией мощность канала синхронизации от базовой станции.

 

р_sr = 41.5 – 146 – 6.2 + 0 – 3 = -113.7, дБм.

 

Интерференция от других пользователей в трафик-канале

 

                            I_ut = 10log[10^0.1p_m – 10^0.1p_tr] – 10log B_w                     (11)

 

где I_ut – плотность интерференции создаваемой другими абонентами в трафик-канале (дБм /Гц);

B_w – ширина канала (Гц).

 

I_ut =10log[10^-9.671 – 10^-10.665]  - 10log(1.2288 · 10⁶) = -158.07, дБм/Гц.

 

Интерференция, создаваемая другими базовыми станциями в трафик- канале

                                          (12)

 

где I_ct – плотность интерференции создаваемой другими базовыми станциями в трафик канале (дБм /Гц);

f_r – коэффициент переиспользования частоты (f_r = 0.65).

 

 

Плотность интерференции для трафик-канала

 

                                        (13)

 

где I_t – плотность интерференции в канале трафика (дБм/Гц).

 

 

Интерференция от других абонентов (той же базовой станции) в пилот-канале

 

I_uр = р_m– 10log B_w                                                 (14)

 

где I_uр - плотность интерференции от других абонентов в пилот канале (дБм/Гц).

 

I_uр = -96.71 – 10log(1.2288 · 10⁶) = -112.19 – 60.89 = -157.61, дБм/Гц.

 

Интерференция создаваемая другими базовыми станциями в пилот- канале

                                      (15)

 

где I_cp – плотность интерференции создаваемой другими базовыми станциями в пилот-канале (дБм/Гц).

 

 

Плотность интерференции для пилот-канала

 

                                 (16)

 

где I_p – плотность интерференции для пилот канала (дБм/Гц).

 

.

 

Интерференция от других абонентов (той же базовой станции) в поисковом канале

                                   

I_upg = 10log[10^0.1p_m – 10^0.1p_pgr] – 10log B_w                       (17)

 

где I_upg плотность интерференции от других абонентов в поисковом канале (дБм/Гц).

 

I_upg = 10log[10^{0.1·(-96.71)}–10^{0.1·(-108.26)}]–10log (1.2288·10⁶)=

=10log(-8.89·10^-12) - 60.89= -157.92, дБм/Гц.

 

Интерференция создаваемая другими базовыми станциями в поисковом канале

                                                                                   (18)

 

где I_cpg – плотность интерференции создаваемой другими базовыми станциями в поисковом канале (дБм/Гц).

 

 

Плотность интерференции для поискового канала

 

 

                                      (19)

 

где I_pg – плотность интерференции для поискового канала (дБм/Гц).

 

.

 

Интерференция от других абонентов (той же базовой станции) в канале синхронизации

 

I_us = 10log[10^0.1p_m – 10^0.1p_sr] – 10log B_w                      (20)

 

где I_us плотность интерференции от других абонентов в канале синхронизации (дБм/Гц).

 

I_us = 10log[10^{0.1·(-96,71)} – 10^{0.1·(-113.7)}] – 10log (1.2288 · 10⁶)= - 96.8 – 60.89=

  = -157.69 дБм/Гц.

 

Интерференция создаваемая другими базовыми станциями в канале синхронизации

 

                                                (21)

 

где I_cs – плотность интерференции создаваемой другими базовыми станциями в канале синхронизации (дБм/Гц).

 

.

 

Плотность интерференции для канала синхронизации

 

                                 (22)

 

где I_s – плотность интерференции для канала синхронизации (дБм/Гц).

 

.

 

Тепловой шум

 

                            N₀ = 10log(290 · 1.38 · 10^-23) + N_f + 30                       (23)

 

где N₀ – плотность теплового шума (дБм/Гц);

N_f – значение шума в приемнике мобильной станции (дБ).

 

N₀ = 10log(290 · 1.38 · 10^-23) + 8 + 30 = -165.98, дБм/Гц.

 

Отношение сигнал/шум + интерференция в трафик-канале

 

                                           (24)

 

где p_tr – скорость передачи данных в трафик-канале (бит/с).

 

 

Отношение сигнал/шум + интерференция в пилот канале

 

                   (25)

 

Отношение сигнал/шум + интерференция в поисковом канале

 

                   (26)

 

где p_pgr – скорость передачи данных в поисковом канале (бит/с).

 

Отношение сигнал/шум + интерференция в канале синхронизации

 

                (27)

 

где p_rs – скорость передачи данных в канале синхронизации (бит/с).

 

 

6.2 Обратное соединение

 

Мощность усилителя  мобильной станции

 

Р_ma= Р_me – G_m – L_m                                          (28)

 

где Р_ma – мощность на выходе усилителя (дБм);

Р_me – полная излучаемая мощность антенны мобильной станции (дБм);

G_m – коэффициент усиления передающей антенны мобильной станции (дБ);

L_m – потери в кабеле мобильной станции (дБ).

 

Р_ma = 20 – (-3) – 0 =23 дБм.

 

Мощность принятая базовой станцией от одного абонента

 

                            P_cu = P_me + L_p + A_l + G_t + L_t                                        (29)

 

где P_cu – мощность принятая базовой станцией по каналу трафика от мобильной станции (дБм);

L_p – средние потери на трассе между базовой станцией и мобильной (дБ);

A_l – допуск на теневые потери (дБ);

G_t – коэффициент усиления (на приеме) антенны базовой станции (дБ);

L_t – потери в кабеле базовой станции (дБ).

 

P_cu = 20 – 146 – 6.2 + 14 –2.5 = -120.7 дБм.

 

Плотность интерференции создаваемой другими абонентами в данной базовой станции

 

I_utr = P_cu+ 10log(N_t – 1) + 10logC_a – 10log B_w               (30)

 

где I_utr – плотность интерференции создаваемой другими мобильными станциями (дБм/Гц);

C_a – коэффициент активности речи в канале (C_a=0.4 – 0.6);

N_t – число трафик-каналов имеющихся в одной базовой станции.

 

I_utr = -120.7 + 10log(20 – 1) + 10log0.6 + 10log(1.2288·10⁶) =

= -171.03 дБм/Гц.

 

Плотность интерференции создаваемой другими абонентами других базовых станций

                                          (31)

 

где I_ctr – плотность интерференции от мобильных станций других базовых станций (дБм/Гц);

f_r – коэффициент повторного использования частот (f_r = 0.65).

 

.

 

Плотность интерференции создаваемой другими абонентами других базовых станций и данной базовой станции

 

                                     (32)

 

где I_tr - плотность интерференции создаваемой другими абонентами других базовых станций и данной базовой станции (дБм/Гц).

 

.

 

Плотность тепловогого шума

 

N₀ = 10log(290 · 1.38 · 10^-23) + N_f + 30,                      (33)

 

где N₀ – плотность теплового шума (дБм/Гц);

N_f – значение шума в приемнике мобильной станции (дБ).

 

N₀ = 10log(290 · 1.38 · 10^-23) + 5 + 30 = -168.98 дБм/Гц.

 

Отношение сигнал/шум + интерференция в трафик-канале

 

                                               (34)

 

где b_rr – скорость передачи данных в трафик-канале обратного соединения (бит/с).

 

.

 

6.3 Анализ емкости базовой станции

 

CDMA обладает некоторыми атрибутами способствующими к увеличению емкости станции, а именно:

-  учет активности речи. Обычная средняя активность речи абонента составляет 35% от полного времени его разговора. Остальное время занимают паузы, в течении которых абонент слушает собеседника. В CDMA все абоненты занимают один радиоканал. Поэтому когда кто-то из них не разговаривает, то создается меньше помех. Таким образом, сокращение активности речи уменьшает взаимные помехи, что позволяет увеличить емкость канала до трех раз. CDMA – единственная технология, использующая преимущества этого явления;

-  увеличение канальной емкости за счет использования секторных антенн (секторизация). В FDMA и TDMA каждая сота делится на секторы для того, чтобы уменьшить влияние интерференционных помех. В результате транкинговая эффективность разделенных каналов в каждой соте ухудшается. В CDMA секторизация применяется для увеличения емкости путем организации трех радиоканалов в трех секторах, и, таким образом, емкость увеличивается в три раза по сравнению с теоретической емкостью при использовании одного радиоканала в соте. Поэтому имеется возможность подключить дополнительного абонента, при этом качество воспроизведения речи ухудшается незначительно по сравнению с обычным режимом. Например, если в соте 40 каналов и добавляется еще один, то разница в отношении несущая/интерференция E_b/N₀ составляет всего 10log(40+1)/40=0.24 дБ;

- большим преимуществом CDMA перед остальными системами является то, что CDMA может многократно использовать полный спектр всех сот.

В случае когда количество абонентов равно N, базовая станция принимает сигнал состоящий из необходимого нам сигнала с мощностью С и N-1 интерферирующих сигналов также с мощностью С. Отсюда отношение несущая к интерференции может быть выражено как

 

                                    (35)

 

где С – уровень мощности требуемого сигнала;

I – уровень мощности интерференции.

 

Из (35) можно определить

 

 .                                               (36)

 

В отличие от систем FDMA и TDMA, в системе CDMA нас больше интересует отношение E_b/N₀ чем отношение C/I.

Допустим что

R – скорость передачи данных (в нашем случае 9600 bps);

W – ширина канала (1.25 MHz),

тогда отношение между C/I и E_b/N₀ может быть выражено как

 

  .                                        (37)

 

Перемножая (36) и (37), получаем

 

 .                                          (38)

 

Выражение (38) определяет максимальное число абонентов в системе CDMA в зависимости от минимальной величины E_b/N₀, необходимой для нормальной работы системы, которая для передачи цифрового голоса подразумевает BER (коэффициент битовой ошибки) равный 10^-3 или меньше. С учетом  повторного использования частоты

 

 .                                   (39)

 

С учетом секторизации

 

 

.                            (40)

 

Формула (40) является конечной формулой для расчета емкости одной соты,

где F=0.65 - эффективность многократного использования частоты;

VAF=0.35 – средняя активность речи абонента;

G – коэффициент секторизации, для 120^о секторизации G=1.

 

.

 

6.4 Исследование радиуса соты

 

Радиус соты можно получить, найдя расстояние на котором потери при распространении приводят к уровню сигнала равному требуемому, как функции загрузки соты.

Расчет бюджета радиолинии, для конкретной соты, требует нахождения величины максимальных приемлемых потерь Lmax. Так как потери при распространении пропорциональны длине радиолинии, значение Lmax выражает максимальную дистанцию радиолинии или другими словами эффективный радиус соты или сектора в определенном направлении.

Общее выражение для потерь при распространении в дБ как функции расстояния следующее

 

                                    (41)

 

где    расстояние в километрах;

значение потерь для 1;

          закон распределения энергии.

На краях соты,  и потери равны . Таким образом, полное выражение для радиуса соты в километрах имеет вид

        

                            .                               (42)

 

Решая общее выражение относительно получаем

 

                                                                                       (43)

или

                        .                      (44)

Таким образом, для нахождения отношения между радиусом соты и трафиком в соте, необходимо найти выражения для максимальных потерь при распределении . Эмпирическая формула для потерь была определена МСЭС(ITU-R) 

 

           (45)

 

где и  высоты антенн базовой и мобильной станции в метрах;

          - центральная частота в МГц;

;

           - коррекционный фактор (% площади покрытой зданиями).

Формула преобразована из модели условий распространения Окумура - Хата для малых и средних городов.

Таким образом

 

(46)

 

Воспользуемся типичными значениями обратного канала занимающего частоты  824 - 849МГц, таким образом, центральная частота =835 МГц и высотами антенн базовой станции =30м и мобильного терминала =1,5м, а так же процентом застройки равным 10%.

Подставив данные в (46) получим

 

              (47)

 

Таким образом, сравнивая выражения (42) и (47) находим значения для  и ,

                       120.56 дБ и 35.22/10=3.522.                               (48)

 

Теперь необходимо найти выражение для максимальных потерь при распределении относительно загрузки соты. Для этого, необходимо определить зависимость уровня сигнала от загрузки соты.

Обозначим средний уровень сигнала, требуемый при приеме  и минимальный необходимый при приеме уровень сигнала в отсутствии интерференции .

В соответствии с идеально отрегулированной по мощности моделью требуемое среднее значение принимаемого сигнала

 

                                         (49)

где отношение количества пользователей в соте (секторе) к максимальному количеству пользователей.

С учетом запаса по мощности в дБм

 

                      (50)

где

                     (51)

 

предположив, что база сигнала PG=128=21.1дБ и шумы приемника базовой станции 5 дБ, следует что .

Идеальное максимальное количество пользователей с учетом запаса по мощности

   .                    (52)

 

       Отсюда следует, что максимально приемлемые потери при распределении, это потери, при которых при максимальной мощности передатчика мобильного терминала и различных усилениях и потерях не при распределении в обратном канале, приводят к тому, что на базовой станции принимается требуемый уровень сигнала. Выражение, описывающее данное состояние следующее

 

     (53)

где

          (54)

 

 определяет мощность мобильного терминала, которая была бы принята приемником базовой станции в отсутствии потерь. Таким образом

.                                (55)

 

Подставляя типичные значения параметров обратного канала в (54), получаем

            .         (56)

Выражение для максимального ослабления при распространении как функции параметра загрузки сети Х имеет вид

        

                  (57)

Если добавить в (57) детализированные потери из (55) с учетом запаса по мощности используемого в (50), тогда (57) можно выразить как

        

.        (58)

 

Теперь подставим  (58) в качестве в (44) для того, чтобы получить желаемое выражение  радиуса соты как функции загрузки сети

   (59)

Это выражение показывает максимальный радиус соты доступный мобильному передатчику с мощностью рассмотренной в расчетах .

Найдем числовое выражения для радиуса соты, основываясь на выражении (57), используя модель МСЭС(ITU-R), численные значения параметров обратного канала, а так же предполагая, что высоты антенн базовой станции , мобильной станции  и 10% покрытием территории зданиями.

Используя определенные данные, принимаемая мощность без потерь при распространении равна: , (см. (56)), из (51) требуемая мощность принимаемого сигнала с учетом интерференции и без запаса по мощности равна

 

 

и из (48) значения   и   равны,

 

120.56 дБ       и      35.22/10=3.522

 

Подставляя всё это в (57) мы получаем выражение с параметрами    

(60)

 

Для того, что бы показать зависимость радиуса соты от М (количества активных пользователей) при принятых значениях  и запаса по мощности используем (60) для записи

     (61)

 

Значения  выбираются исходя из заранее выбранной надежности канала. Типичные значения приведены в таблице 6.4.1

 

          Т а б л и ц а 6.4.1 – Запас по мощности для различной надежности

0,70	0,20 dB
0,80	0,93 dB
0,90	0,92 dB

 

Используя выражение идеальной емкости системы (52) , для выражения радиуса соты (60) построим график (рисунок 6.4.1) для различных значений и .

Из графика видно, что требуемые значение  и , подбираемые из расчета надежности системы для обратного канала сильно влияют на размер соты. При высоких значениях надежности и соответственно отношения сигнал шум и запаса по мощности, радиус соты начинает стремительно падать при определенных значениях емкости системы (количества активных пользователей). Так же из графика можно определить уровень снижения радиуса соты при определенном значении активных пользователей.

Исследование модели беспроводной сети позволяет спроектировать сеть исходя из типичных входных параметров, таких как: частота, мощность передатчиков, надежность системы, процент застройки и т.д. и спрогнозировать основные её показатели, такие как емкость и зона покрытия.

 

 

(M  +E /N) =5,6,7,8,9,10 дБ

Рисунок 6.4.1 - График зависимости радиуса соты от загрузки соты

 

7 Порядок защиты курсовой работы  

 

Курсовая работа, полностью законченная и оформленная, сдается на проверку руководителю за 2-4 дня до защиты. Курсовая работа возвращается студенту после проверки с письменными замечаниями преподавателя и указанием о допуске к защите. Если курсовая работа выполнена в соответствии с техническим заданием и требованиями к оформлению, если принятые решения работоспособны и целесообразны, а расчеты верны и выявленные при проверке незначительные неточности и недоработки легко могут быть исправлены при подготовке к защите. Если выявлены грубые ошибки, то студент к защите не допускается и ему предлагается доработать или переработать работу.

К защите представляются полностью законченная и оформленная курсовая работа с замечаниями преподавателя и с исправлениями, если в этом возникла необходимость. На проекте должна быть виза руководителя о допуске к защите.

Защита состоит из краткого доклада студента (5-7 мин) о поставленной перед ним задаче, основных структурных, принципиаль­ных, схемных, расчетных и конструктивных решениях, при помощи кото­рых удалось целесообразно реализовать технические требования к передатчику. Затем студент отвечает на вопросы комиссии, состоя­щей из двух человек, одним из которых является преподаватель-ру­ководитель проектирования защищающегося студента.  После защиты комиссия выносит решение об оценке курсовой работы и объявляет ее студенту.

 

 

Список литературы

 

1. Тихвинский В.О. Сети подвижной связи третьего поколения. Экономические и технические аспекты развития в России. –М. : Радио и связь, 2001.

2. Спутниковая связь и вещание: Справочник, под. Ред. Л.Я. Кантора.- М.: Радио и связь, 1997.

         3. CDMA: прошлое, настоящее и будущее / Под ред.проф. Л.Е.Варакина и проф. Ю.С. Шинакова. – Москва: МАС, 2003.

4.     Бабков В.Ю., Вознюк М.А. , Дмитриев В.И. Системы мобильной

связи / СпбГУТ.- СПб., 1999.

         5. В.В.Величко. Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения. – М.: Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 2005. – 332с.

6.            Андрианов  В.И.,  Соколов А.В.  Сотовые,  пейджинговые  и 

спутниковые средства связи.- СПб.: БХВ Петербург Арлит,2001.

7.            Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.:

Радио и связь, 1999.

8.            Соколов А.В.,Андрианов В.И. Альтернатива сотовой связи:

Транкинговые системы. – СПб.: БХВ Петербург,2002.

9.            Коньшин  С.В.  Транкинговые системы радиосвязи:  Учебное

пособие. -Алматы: АИЭС, 2000.

10.    Коньшин С.В. Системы подвижной радиосвязи. Методические

указания к выполнению   курсовой   работы   для   студентов   специальности   Радиосвязь, радиовещание и телевидение. - Алматы: АИЭС, 2001.

         11.Коньшин     С.В.,     Сартбаев     А. Д.     Системы     подвижной     радиосвязи. Методические указания к практическим занятиям для студентов специальности 38.05 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2001.

        12.Коньшин С.В., Сабдыкеева Г.Г.  Теоретические основы систем связи с подвижными объектами.: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2002.

          13.Коньшин С.В. Подвижные телекоммуникационные радиосистемы: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

          14.Коньшин С.В., Ким Д.О. Системы подвижной радиосвязи. Метод, указания к лабораторным работам для студентов очной и заочной форм обучения специальностей   380200-Многоканальные   телекоммуникационные   системы, 380300-Радиотехника,    380500-Радиосвязь,    радиовещание    и    телевидение, 380700-Системы    и    средства    подвижной    связи,    380900 Радиосвязь    и радионавигация. - Алматы: АИЭС, 2004.

    15. Многоканальные системы передачи: Учебник/ В.И. Кириллов. – М.: Новое поколение, 2002. – 751 с.

   16. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов/ Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицын и др. Под ред. Н.Н. Баевой и В.Н. Гордиенко. – М.: Радио и связь, 1997.

 

Содержание

 

1 Общая информация о дисциплине «Сети и системы мобильной связи 3-    го поколения» 2 Рабочая программа и общие методические указания 3 Перечень тем лабораторных занятий 4 Перечень тем практических занятий 5 Курсовая работа 6 Пример расчета основных параметров сети связи 7 Порядок защиты курсовой работы Список литературы