Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра телекоммуникационных систем

Технология беспроводной связи
Методические указания к расчетно-графическим работам
(для специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации)

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛИ: Агатаева Б.Б., Сарженко Л.И., Зайцев Е.О. Технология беспроводной связи. Методические указания к расчетно-графическим работам  (для специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2014. – 25 с.

Данная разработка предназначена для студентов всех форм обучения  специальности  5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

В методических указаниях приводятся задания и исходные данные для шести задач ста возможных вариантов каждой задачи расчетно-графических работ, краткие теоретические сведения к каждому заданию, методические указания к выполнению расчетно-графических работ, требования к их содержанию и оформлению, список рекомендуемой литературы.

Ил.   6, табл.   16, библиогр. – 8 назв.

Рецензент: канд. техн. наук Артюхин В.В.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи»  на 2013г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014г.

Введение

Связь (системы и сети передачи информации) – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей телекоммуникационной индустрии. В 21-м веке человечество вплотную подошло к реализации так называемых предельных задач в области развития телекоммуникаций – созданию глобальных персональных систем связи. При этом большое значение отводится развитию сетей подвижной (мобильной) связи. В назем­ных системах подвижной связи широко применяются радиоволны дециметрового диапазо­на. Условия распространения радиоволн могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения радиоволны от приемника к передатчику в условиях прямой видимости  до многолучевого распространения при многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятствий.  В отличие от проводных линий связи, радиоканал является принципиально статистической системой, чьи свойства определяются только с некоторой вероятностью.  Результаты расчета параметров канала в  значительной степени зависят от выбранной модели, каждая из которых отражает лишь  отдельные, выделенные свойства  распространения радиоволн [8].

Нет единого подхода, нет единой общепринятой модели.  Есть  рекомендации различных национальных и международных организаций, в значительной степени не совпадающих между собой. Сложность выбора  модели распространения  радиоволн и структуры поля  усугубляется  трудностями практического  определения  реальных параметров модели и  сравнения качества работы  систем связи, основанных на различных моделях радиопокрытия обслуживаемой зоны.  Измерения параметров модели, как уже отмечалось выше, может быть только вероятностным и требует огромного числа испытаний в самых различных условиях:  времени года и суток, крупного города или небольшого населенного пункта,  типа подстилающей поверхности, складок местности и т.п.

Технология беспроводной связи является профильной дисциплиной для студентов специальности  5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Специалисты в этой области должны иметь навыки расчетов основных параметров мобильных сетей связи, использующих различные технологии (стандарты) для организации сетей. В данной методической разработке предлагается шесть задач для выполнения 3-х расчетно-графических работ (РГР). Каждая РГР содержит 2 задачи. При этом охватываются основные вопросы, которые необходимо решать при проектировании различных сетей связи.  

1 Требования к выполнению и оформлению РГР

Вариант задания выбирается по таблицам и рисункам, соответствующих номерам задач.

Требования к выполнению РГР

Решение каждой задачи следует начать с изучения теоретического материала, относящегося к теме задания. В этом поможет учебная литература, приведенная в методических указаниях к решению каждой задачи. Выполнять задания нужно вдумчиво, четко представляя ход решения, умея обосновать полученный результат. Выполненная работа сдается на проверку  преподавателю (рецензенту). После проверки, если работа не допущена к защите, она возвращается на доработку. Студент должен или переделать ее, или исправить все отмеченные ошибки и выполнить все указания рецензента в соответствии с его замечаниями, а затем работа вновь отдается на рецензию. Все исправления и дополнения, сделанные по указаниям рецензента, помещаются на чистой стороне листа в том месте, где обнаружены ошибки или заданы вопросы. При решении рекомендуется использовать Mathcad и другие прикладные программы.

Проверенная работа должна быть защищена. После допуска к защите студент защищает ее в назначенное преподавателем время. Для  успешной защиты необходимо: внести исправления по замечаниям рецензента, ответить письменно или устно (в зависимости от требований рецензента) на поставленные вопросы, уметь полностью объяснить ход решения задач, обосновать правильность использования расчетных формул,  смысл входящих в них символов, уметь обосновать полученный результат.

  Следует помнить, что работа, выполненная небрежно, не полностью или не по своему варианту, с отклонениями от стандарта по оформлению РГР, не рецензируется и возвращается студенту на переоформление, доработку или переделку по своему варианту.

Рекомендуется выполнять, сдавать на проверку и защищать РГР по частям, по мере изучения материала на теоретических занятиях в сроки, установленные преподавателем, но в окончательном варианте РГР должна быть оформлена единым документом.

Требования к оформлению РГР

РГР выполняется на листах белой бумаги формата А4. Она должна быть аккуратно оформлена, текст разборчиво написан или напечатан (компьютерный набор) на одной стороне листа. Другая сторона листа предназначена для внесения студентом исправлений и дополнений по результатам рецензии.

Титульный лист РГР оформляется в соответствии с правилами оформления расчетно-графических работ и включает название дисциплины, ФИО студента, номер группы и номер зачетной книжки. РГР необходимо начинать с введения.

В начале каждой задачи приводится условие задачи и исходные данные для своего варианта.

Страницы текста, рисунки, таблицы и формулы нумеруются. Все вычисления приводят достаточно полно. Чтобы можно было проверить правильность вычислений, их сопровождают необходимыми пояснениями.

Расчетные формулы записывают в общем виде с расшифровкой буквенных обозначений и указанием размерностей. Все числовые значения необходимо затем подставлять только в основных единицах.

В конце РГР должно быть заключение, приведен список использованной студентом в работе литературы. В тексте работы должны быть ссылки на использованную литературу при приведении формул, схем, теоретического материала.

Студент подписывает свою работу с указанием даты выполнения.

Внимание! РГР, выполненные без соблюдения перечисленных требований, возвращаются на доработку.

2 Расчетно-графическая работа №1. Расчет дальности связи, расчет мощности сигнала, необходимого для преодоления теплового шума, расчет эффективности телекоммуникационной системы

Задача 1

По методике МККР и «Рекомендации 370» дальность радиосвязи между базовой (БС) и мобильной (МС) станциями определяется по формуле:

,          (2.1)

где Eнеобх – необходимый уровень напряженности в точке приема, дБ;

Nш – уровень шумов в точке приема, дБ;

(S/N)вх – отношение сигнал/шум на входе приемника, дБ;

Вр – поправка на отличие мощности передатчика от 1 Вт, дБ;

 – поправка на отличие высоты установки антенны базовой станции (БС) от 10 м, дБ;

В% – поправка на медленные замирания, учитывающая отличие количества пунктов успешной связи от 50 %, дБ;

Взам – поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие количества успешных сеансов связи от 50 %, дБ;

Врел – поправка на реальный рельеф местности, дБ;

σпрМ, σпРД – поправки на неравномерность диаграмм направленности приемной и передающей антенн, дБ.

Рассчитать дальность радиосвязи r между базовой (БС) и мобильной (МС) станциями, при которой обеспечивается заданная достоверность приема (для цифровой радиосвязи). Определить местоположение БС на местности  – высоту подъема антенны над уровнем моря при заданном рельефе (показать на чертеже).

Варианты заданий выбираются из таблицы 2.1 и 2.2.

Дополнительная информация – см. «Краткие теоретические сведения».

Таблица 2.1 – Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

РПРД, Вт

20

25

30

35

20

25

30

35

20

25

f, МГц

900

1800

2100

2100

900

1800

2100

2100

900

1800

Евн, дБм

-85

-100

-105

-108

-85

-100

-105

-108

-85

-100

Δf, кГц

200

200

1230

1230

200

200

1230

1230

200

200

GA

Выбирается самостоятельно – таблица 2.4

σ ПРМ, дБ

-15

σ ПРД, дБ

-15

Таблица 2.2 - Зависимость варианта от предпоследней цифры зачетной книжки

Предпоследняя цифра

зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

S/N, дБ

9

12

9

12

10

9

12

9

12

10

hБС, м

15

30

25

15

15

15

20

25

20

20

t0

0

10

20

30

40

0

-10

-20

-30

-40

B%, дБ

60

70

80

90

95

60

70

80

90

95

BЗАМ, дБ

50

90

99.5

50

90

99.5

50

90

99.5

50

h1, м

1350

950

700

580

690

1350

950

700

580

690

h2, м

1100

700

650

340

550

1100

700

650

340

550

h3, м

1225

820

690

420

600

1225

820

690

420

600

h4, м

910

650

620

300

500

910

650

620

300

500

hЭФ, м

20

37,5

37,5

37,5

20

37,5

37,5

37,5

37,5

37,5

Краткие теоретические сведения.

С методикой расчета МККР «Рекомендации 370» и «Отчет 239» можно ознакомиться в литературе [6].

Вычисление поправочных коэффициентов в (2.1) проводится следующим образом:

- шумы в точке приема Nш (дБ) состоят из внешних шумов и собственного шума приемника, приведенного к точке приема. Величина шума Nш определяется по формуле:

 ,                             (2.2)

где NВН – уровень внешних шумов в точке приема, дБ (учитываем только тепловой шум).

Тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства или проводника:

                                                        (2.3)

где  N0 - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; 

k - постоянная Больцмана, ,(1 Дж=1 Вт·с);

T - температура в Кельвинах (абсолютная температура).

,                                                           (2.4)

Δf – ширина канальной полосы;   

Евн – чувствительность приемника по полю, дБм;

(S/N)вх – требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника, относительные единицы;  

A – потери в антенно-фидерном тракте приемника, дБ (для мобильного телефона этим параметром пренебрегаем).

Поправка Вp определяется по формуле:

,                                   (2.5)

где Рпрд – мощность передатчика, Вт;

А – потери в антенно-фидерном тракте передатчика, дБ.

Они определяются, исходя из высоты подвеса антенны (длина фидера) и затухания α на один погонный метр коаксиального кабеля (см. таблицу 2.3).

                                                 (2.6)

  – высота  подъема антенны БС, м;

5 м – дополнительная длина радиочастотного кабеля на монтаж внутри антенны и т.п.

Таблица 2.3 - Параметры кабелей

Марка кабеля 

Волн. сопр., rф, Ом

Затухание a, дБ/м на частотах, МГц 

66

400

1500

1650

2000

РК-50-2-11(РК-149)

РК-50-2-13(РК-19)

РК-50-3-11(РК-159)

РК-50-7-11(РК-147)

РК-50-7-15(РК-47)

РК-50-11-11(РК-148)

РК-50-11-13(РК-48)

РК-75-4-11(РК-101)

РК-75-4-15(РК-1)

РК-75-7-11

РК-75-7-12

РК-100-7-11(РК-102)

РК-100-7-3(РК-2)

РК-5/18

РКД-2-7/28

РКД-2-9/33

РК-75-3-11(РК-67)

РК-75-4-12(РК-149)

РК-75-4-16(РК-49)

РК-75-4-17(РК-66)

РК-75-7-12(РК-120)

РК-75-4-21(РКТФ-1)

РК-75-7-21(РКТФ-3)

РК-75-17-11(РК-5)

РК-75-4-22(РКТФ-49)

РК-75-7-16(РК-20)

РК-75-7-17(РК-77)

РК-75-7-18

РК-75-9-12(РК-3)

РК-75-9-13(РК-103)

РК-75-13-12

РК-75-17-12(РК-108)

50

50

50

50

50

50

50

75

75

75

75

100

100

70

75

70

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

75

-

-

-

-

-

-

-

0,08

0,08

0,05

0,05

-

-

-

-

-

0,095

0,1

0,1

0,065

0,06

0,07

0,045

0,014

0,08

0,05

0,05

0,03

0,043

0,038

0,02

0,028

-

-

-

-

-

-

-

0,3

0,28

0,18

0,19

-

-

-

-

-

0,34

0,3

0,31

0,24

0,18

0,27

0,15

0,043

0,27

0,19

0,18

0,14

0,15

0,14

0,06

0,07

0,75

0,85

0,77

0,49

0,5

0,32

0,35

0,58

0,58

0,47

0,5

0,21

0,37

0,067

0,047

0,039

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0,85

0,9

0,83

0,51

0,52

0,34

0,37

0,62

0,62

0,52

0,55

0,25

0,41

0,085

0,052

0,043

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0,97

1,03

0,95

0,56

0,56

0,38

0,4

0,72

0,72

0,65

0,66

0,33

0,45

0,12

0,162

0,052

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

 

GA – коэффициент усиления антенны передатчика, дБи (см. таблицу 2.4) (выбрать самостоятельно).

Таблица 2.4 - Параметры антенн GSM,UMTS

Ширина ДН в горизонтальной плоскости

65°

90°

Длина антенны

0,7 м

1,3 м

2,0 м

2,6 м

0,7 м

1,3 м

2,0 м

2,6 м

Коэффициент усиления / Ширина ДН в верикальной плоскости

900

12,5 дБи/
26°

15 дБи /
14,2°

16,5 дБи /
9°

17,5 дБи /
7°

14 дБи /
14°

15,5 дБи /
9°

16,3 дБи /
6,9°

1800

15,1 дБи /
15°

17,5 дБи /
7°

19 дБи /
4,7°

13,6 дБи /
14,7°

16,2 дБи /
7,1°

17,5 дБи/
4,7°

2100

15,8 дБи /
13°

18,2 дБи /
6,3°

19,5 дБи /
4,2°

14,1 дБи /
13,2°

16,7 дБи /
6,3°

17,9 дБи /
4,2°

Поправка  определяется по формуле:

.                                               (2.7)

Поправка  (дБ), учитывающая  отличие заданного процента приемных пунктов, в которых обеспечивается расчетная величина поля, от 50%, принятых при построении графиков (см. таблицу 2.5). 

Таблица 2.5 – Величина поправки  (дБ)

Процент приемных пунктов

50

60

70

80

90

95

98

Величина  поправки, дБ

0

-2

-5

-7.5

-11

-14

-17

Поправка Взам (дБ),  учитывающая  отличие заданного процента времени превышения расчетной величины поля от 50%,  принятых при построении графиков (см. таблицу 2.6). 

Таблица 2.6 - Величина поправки Взам (дБ)

Процент времени превышения расчетной величины поля в точке приема

50

90

99.5

Поправка, дБ

100 МГц

0

2

6

300 МГц  

0

4

10

1000 МГц

0

6

14

Поправка Bрел, учитывающая  реальный рельеф местности между базовой и абонентской радиостанциями.

Эта поправка определяется как функция максимального перепада рельефа   на расстоянии между базовой и абонентской радиостанциями.  Эта величина оценивается от –5 дБ при условиях прямой видимости  до примерно +5 дБ  при перепаде высот  более 200 м.  При первоначальных расчетах принимают  = 0.

Dh определяется как разница высот (отметок) местности между самой высокой возвышенностью и самой глубокой впадиной на участке распространения в данном направлении. При этом высота возвышенности уменьшается на 10%, а глубина впадины берется равной 90% от вершины (см.рисунок 2.1). В документах МККР (Рекомендации 370-4) это расстояние рекомендуется отсчитывать в пределах 10...50 км в направлении от передатчика к точкам приема. В документах ОИРТ  его рекомендуют брать в пределах 30...40 км от приближенно пред­полагаемой границы зоны приема в сторону передающей станции (см.рисунок 2.1). Второй подход предпочтителен, поскольку на уровень сигнала гораздо сильнее влияют неровности местности, расположенные перед приемными антеннами.

Значение Dh удобно найти из статистического распределения высот пред­метов на местности. Выбор высот должен быть таким, чтобы они охватывали все крупные предметы (детали рельефа). Обычно бывает достаточно взять 30 значений высот через 1 км. Поправка на рельеф (см.рисунок 2.3).

По грубой оценке параметр Dh  равен половине среднего значения высот холмов или гор от подошвы до вершины на рассматриваемом участке. На наклонных трассах следует отсчитывать от линии,  проходящей через середину неровностей. При этом определяется ZСР, позволяющая определить эффективную высоту подъема антенны h1эф (см.рисунок 2.2)

,                                                  (2.8)

где   – высота подъема антенны над уровнем моря (определяется как сумма высоты над уровнем моря места установки опоры БС и высоты подъема антенны БС на опоре – опору (БС) желательно ставить на самой высокой площадке на данной местности, но это получается не всегда). 

            Параметр  Dh, м,   позволяет ввести   условную   классификацию   типов местности:

Dh, м

Равнинная или  водная  поверхность ……………….………………………   0…25

Равнинно-холмистая  (среднепересеченная) …………….…………………….....   25…75

Холмистая (сильнопересеченная)…..……………………………………….  75…150

Гористая …………………………………………………...………………..150…400

Очень  высокие  горы,   не   менее ……………………….……………………   400

Рисунок 2.1 – К определению параметра, характеризующего степень неровности местности Dh (справа график статистического  распределения               отметок местности)

Рисунок 2.2 – Определение эффективной высоты подъема антенны БС h1эф

Рисунок 2.3 – Зависимость  поправочного коэффициента ВРЕЛ от степени неровности  местности на  расстояниях 20 ...100 км

Поправки  и  (дБ) учитывают  неравномерность диаграммы направленности передающей  и приемной антенн антенны  в горизонтальной плоскости (принимаем равными -5 дБ).

Медианное значение напряженности поля. На равнинно-холмистой местно­сти, на расстояниях менее 10 км его определяют по кривым распространения (см.рисунок 2.4). Здесь и далее, на кривых указана эффективная высота под­веса передающей антенны, измеренная в метрах  (Рекомендация 370-4). Данные зависимости получены по результатам многочисленных измерений, проведенных в разных регионах зем­ного шара при Dh = 50 м.

Рисунок 2.4 – Зависимость медианного значения напряженности поля от расстояния на равнинно-холмистой местности (темная линии для метрового диапазона, светлая – для дециметрового)

Задача  2

Какой должна быть мощность сигнала, чтобы преодолеть тепловой шум, для того чтобы выполнялись условия (см.таблицы 2.7 и 2.8).

Таблица 2.7 - Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

, дБ

9

12

8

5

9

12

8

5

9

12

Т, 0С

20

25

30

0

-20

20

25

30

0

-20

Δf, кГц

200

25

200

1230

200

200

1230

1230

200

200

Таблица 2.8 - Зависимость варианта от предпоследней цифры зачетной книжки

Предпоследняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R, Мбит/с

54

48

36

24

18

12

54

48

9

6

Краткие теоретические сведения.

Отношение "сигнал-шум",  – это   отношение энергии сигнала на 1 Бит к плотности мощности шумов на 1 Гц полосы частот. Для удовлетворительной связи достаточно, если при заданном отношении величина BER (количество ошибок на Бит равнялось 10-4). Для получения другого значения BER необходимо изменять отношение   [1].

Удельная энергия одного бита :

 

,                                                         (2.9)

где  S, Вт – мощность сигнала, приходящаяся на 1 Бит (1 Вт = 1 Дж/с);

– время передачи одного бита.

Скорость передачи данных R можно выразить в виде , следовательно,

.                                                        (2.10)

 

Считаем, что на передачу битов влияет только тепловой шум, определяемый плотностью мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы:

,                                             (2.11)

где k - постоянная Больцмана, ;

T - температура в Кельвинах (абсолютная температура).

Для определения теплового шума на канале необходимо учесть ширину канальной полосы:

, Вт.                                                (2.12)

 

Используя (2.10) и (2.12) самостоятельно выведите формулу для расчета S. Так как отношениезадано в дБ, то и S необходимо рассчитать в логарифмическом масштабе, т.е. мощность сигнала, приходящаяся на 1 передаваемый Бит, должна быть определена в дБм.

3 Расчетно-графическая работа №2. Определение зависимости дальности связи от скорости передачи, расчет величин пространственной и временной корреляции

Задача 1

Определить расстояние d, м, на котором будет стабильно работать связь на различных скоростях R, Мбит/с для беспроводных точек доступа и беспроводных адаптеров, согласно варианту, таблицы 3.1 и 3.2.

Построить график зависимости расстояния d, м от скорости передачи данных R, Мбит/с (чувствительности приемника, РПРМ ) (см.таблицу 3.3).

Таблица 3.1 - Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

РПРМ

см. таблицу 3.3

РПРД

-2100AP и DWL-G132: 16 дБм

GАПРД,

DWL-2100AP: 2 дБи

GАПРМ

DWL-G132: 0 дБи

ξП, ξС

0,99

0,85

0,75

0,90

0,8

0,99

0,85

0,75

0,90

0,8

ηФПРД, ηФПРМ

0,9

Таблица 3.2 - Зависимость варианта от предпоследней цифры зачетной книжки

Предпоследняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Канал

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Центральная частота, МГц

2412

2417

2422

2427

2432

2437

2442

2447

2452

2457

 Таблица 3.3 – Зависимость скорости передачи от чувствительности приемника

Чувствительность, РПРМ, дБм

-66

-71

-76

-80

-83

-85

-86

-87

Скорость, R, Мбит/с

54

48

36

24

18

12

9

6

Потерь в антенно-фидерном тракте, т.е. между беспроводными точками и их антеннами, нет.

Рекомендуется выполнить решение задачи и построение графиков с использованием MS Excel.

Краткие теоретические сведения.

При проектировании локальных беспроводных сетей связи, например,   Wi-Fi дальность действия беспроводной точки доступа типа DWL-2100AP или беспроводного адаптера типа DWL-G132 может быть определена приблизительно по формулам потерь  для свободного пространства. Для изотропных передающей и приемной антенн с коэффициентами усиления, равными 1, т. е. для идеальных всенаправленных антенн, при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS), формулы основных потерь передачи имеют вид:

                                                (3.1)            

или

                       ,                       (3.2)  

  

где  – потери в свободном пространстве; 

f – центральная частота канала, на котором работает система связи; 

d - расстояние между двумя точками (передатчика ПРД и приемника ПРМ).

Заданное качество принятого сигнала зависит от мощности передатчика, некоторых коэффициентов, характерных для системы связи, чувствительности приемника и определяется уравнением передачи (значение мощности радиосигнала на входе приемника удобно выражать в децибелах относительно ватта). В общем виде уравнение передачи имеет вид:

              (3.3)

РПРМ – мощность радиосигнала на входе приемника на данной скорости передачи  (определяется чувствительностью приемника на данной скорости);

РПРД – мощность передатчика;

ηФПРД, ηФПРМ – КПД передающего и приемного фидеров;

GАПРД, GАПРМ – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;

ξП, ξС – коэффициенты согласования антенн (передатчика и приемника) с радиосигналом по поляризации;

LΣ – суммарное затухание радиоволн на трассе.

Суммарное затухание радиоволн на трассе:

,                                                     (3.4)

где SOM (System Operating Margin) – запас в энергетике радиосвязи (дБ).

Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи (увеличивающие потери) такие, как:

- температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;

-  всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь.

Параметр SOM обычно берется равным  10 дБ.

Задача 2

В городской сотовой сети мобильной связи, работающей в диапазоне частот f (см. таблицу 3.4), мобильный терминал принимает отраженные от окружающих предметов сигналы базовой станции в угловом  секторе по азимуту 180°.

Определить:

1) пространственный разнос между двумя антеннами мобильного терминала в горизонтальной плоскости для обеспечения двукратного пространственно разнесенного приема;

2) какой путь должен пройти мобильный терминал, чтобы принимаемый сигнал изменился от некоторой максимальной амплитуды до минимальной;

3) при скорости движения мобильного терминала  V = см. таблицу 3.5 определить интервал временной корреляции сигнала через интервал доплеровского рассеяния сигнала за счет движения мобильного терминала со скоростью V.

Таблица 3.4 - Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f, ГГц

2

1,8

1,9

2,1

2,4

2,7

2

1,9

2,7

2,4

Таблица 3.5 - Зависимость варианта от предпоследней цифры зачетной книжки

Предпоследняя цифра зачетной книжки

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

V, км/ч

60

55

40

70

65

50

45

60

40

50

Краткие теоретические сведения.

Многолучевой сигнал, приходящий в точку приема, характеризуется функциями рассеяния по задержке, доплеровским частотам и углам прихода, которые представляют собой спектры мощности по соответствующим координатам. Преобразование Фурье этих спектров мощности дает корреляционную функцию, аргумент которой имеет размерность обратно пропорциональную размерности аргумента функции рассеяния (свойство преобразования Фурье).

Ширина корреляционной функции определяет необходимый интервал разнесения сигналов соответственно по частоте, времени и пространству для организации разнесенного приема с целью существенного уменьшения влияния замираний сигнала на помехоустойчивость приема сигналов.

Теория устанавливает следующие интервалы корреляции [6]: если θРАС есть сектор углов, под которыми в точку приема приходят отраженные сигналы, то интервал пространственной корреляции сигнала (необходимый пространственный разнос разнесенных антенн) равен

 ,                                         (3.5)

и при  

.                                                      (3.6)

При этом огибающая сигнала меняется от максимума до минимума на интервале пространственной корреляции или на интервале временной корреляции (см.рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 – Кривая биений гармонического колебания двух лучей

Если приемник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если приемник движется по направлению к источнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется – длина волны увеличивается т.е. имеет место эффект Доплера – изменение  частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

При этом изменение частоты волны связано со скоростью движения мобильного абонента:

                                                      (3.7)

где  Fд - частота волны по отношению к подвижному абоненту;

F - частота волны по отношению к неподвижному абоненту;

         υ - скорость движения абонента (положительная при движении к источнику и отрицательная при движении от источника);

c - скорость света.

Изменение частоты определяется по формуле:

  .                                                      (3.8)

А интервал временной корреляции по формуле:

  .                                           (3.9)

4 Расчетно-графическая работа №3. Расчет емкости системы связи стандарта GSM и эффективности телекоммуникационной системы

Задача 1

Система связи стандарта GSM обслуживает абонентов на городской территории площади S, км2. Средний радиус соты равен r. Количество каналов, выделенных базовой станции (соте) С. Средняя частота поступления вызовов . Средняя продолжительность разговора T, мин. Вероятность блокировки вызовов GOSB.

Определить емкость системы связи по условиям, заданным в таблице 4.1-4.4, для чего рассчитать:

1) площадь гексагональной соты,  км2;

2) количество сот, охватывающих всю городскую территорию ;

3) интенсивность трафика в одной соте  при заданной вероятности блокировки ;

4) суммарный трафик всей системы ;

5) средний трафик одного абонента ;

6) количество абонентов, которых может обслужить система ;

7) количество каналов системы мобильной связи ;

8) количество абонентов, приходящихся на один канал  ;

9) минимальное количество абонентов, которые могут быть одновременно обслужены ;

10) относительное количество абонентов, одновременно обслуживаемых системой связи .

Таблица 4.1 - Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

S,км2

2000

1500

1000

2200

1800

2000

1500

1000

2200

1800

r, км

4

2,5

2,1

3,2

3,0

3,5

2,0

2,5

2,8

2,6

N

24

Таблица 4.2 - Зависимость варианта от предпоследней цифры зачетной книжки

Предпоследняя цифра зачетной книжки

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

 вызовов/час

3

2

4

5

3

2

4

2

5

4

T, мин

5

6

3

4

3

5

4

5

5

5

GOSB

0,02

Таблица 4.3 – Некоторые характеристики стандарта GSM-900

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции (обратный канал), МГц

890-915

Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции (прямой канал), МГц

935-960

Ширина полосы канала связи, кГц

200

Схема организации каналов

TDMA

Таблица 4.4 – Показатели качества обслуживания моделей Эрланга А и В

Вероятность отказа при заданном числе каналов базовой станции (GOSB, GOSC)

Трафик

N=8

N=24

N=32

Модель B

Модель C

Модель B

Модель C

Модель B

Модель C

1

9,124×

1,303×

0,000

0,000

0,000

0,000

3

8,132×

1,637×

2,266×

1,079×

0,000

0,000

5

0,070

0,024

6,473×

3,407×

0,000

0,000

7

0,179

0,179

2,816×

1,656×

3,827×

1,531×

9

0,289

-0,686

1,587×

1,058×

1,610×

7,002×

11

0,383

-0,261

2,652×

2,040×

1,340×

6,382×

13

0,458

-0,204

1,981×

1,805×

3,804×

2,002×

15

0,519

-0,182

8,394×

9,396×

5,016×

2,951×

17

0,569

-0,172

0,024

3,442×

3,727×

2,485×

19

0,609

-0,165

0,050

0,010

1,775×

1,368×

 

Краткие теоретические сведения.

Типичным  примером  системы массового обслуживания (СМО) является  телекоммуникационная  система, которая делится на  два основных типа:  СМО с отказами и СМО с ожиданием [5].

В системах связи с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы обслуживания  заняты,  немедленно  получает  отказ,  покидает  систему  и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует.

В  системах  с  ожиданием  заявка,  заставшая  все  каналы  занятыми,  не покидает  систему,  а  становится  в  очередь  и  ожидает,  пока  не  освободится какой-нибудь канал.

         Основными  параметрами  оценки  качества  обслуживания  мобильной системы связи, как системы массового обслуживания, являются параметры входящего потока вызовов. Поскольку моменты поступления вызовов в системе связи определяются периодичностью поступления информации, являющейся случайной величиной, то весь процесс поступления вызовов считается случайным процессом.

Случайными величинами такого потока вызовов для часа наибольшей нагрузки (ЧНН) являются: 

количество вызовов, поступающих в единицу времени  (интенсивность вызовов или средняя частота поступления вызовов);

T – время  обслуживания одного вызова (средняя продолжительность обслуживания вызова), сутки, час, минута, секунда;

средний  трафик  (интенсивность  трафика,  интенсивность нагрузки, поток нагрузки, средний трафик одного абонента).

                                                     (4.1)

Известны несколько моделей системы сотовой связи:

1)  модель Эрланга А – система с ограничением времени ожидания и времени обслуживания;

2)  модель Эрланга B – система с отказами (вызовы, поступившие, когда все каналы заняты, могут аннулироваться);

3)  модель Эрланга C – система с ожиданиями (вызовы, поступившие, когда все каналы заняты, становятся в очередь и ждут освобождения канала неопределенно долгое время).

Уровень обслуживания (англ. Grade of Service – GOS) – это мера доступа к каналу в системе с концентрацией нагрузки в ЧНН. 

Уровень обслуживания (GOS) представляет собой качественную меру, используемую для определения вероятности получения доступа к каналу при известном количестве каналов в сотовой системе. 

Уровень обслуживания – один из основных параметров и критериев оценки при разработке сотовых систем, который необходимо  учитывать для того, чтобы обеспечить требуемую емкость системы и распределение каналов по сотам. 

Уровень обслуживания обычно выражается в виде вероятности блокировки  (отказа),  т. е.  вероятности  того,  что  желающий  установить  соединение пользователь столкнется с отсутствием свободного канала, или, что время ожидания свободного канала превысит установленный предел.

В наиболее распространенной системе с отказами или потерянными вызовами (модель Эрланга B) вероятность отказа в обслуживании, т. е. вероятность того, что все каналы при поступлении вызова от абонента будут заняты, определяется следующим выражением:

 

  ,                   (4.2)

где   количество каналов в соте;

количество одновременно поступивших вызовов.

В соответствии с требованиями операторских лицензий, величина отказов внутри отечественных сотовых сетей общего пользования принимается на уровне Ротк 5%, а расчетная удельная нагрузка на одного абонента 0.015 Эрланг. Иногда, закладывая запас на проектирование, расчет трафика производят, исходя из нагрузки (входящая + исходящая) на одного абонента в ЧНН, равной 0.025 Эрл и вероятности блокировки 2%. Опыт работы сотовых сетей в России и Казахстане показывает, что средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, колеблется на уровне (0.007 – 0.016) Эрл.

Дополнительные указания:

1)    площадь гексагональной соты определяется по формуле:

  ;                                                  (4.3)

2) количество сот в сотовой системе связи (ССС) определить самостоятельно;

3) суммарный трафик , приходящийся на соту (интенсивность трафика в одной соте), можно определить по таблице 4.4, если известно количество каналов, приходящихся на соту , и вероятность отказов ;

4) суммарный трафик всей ССС определить самостоятельно;

5) трафик, приходящийся на одного абонента А;

6) определив суммарный трафик всей системы, можно определить количество абонентов , которое может обслужить система:

                                                (4.4)

7) количество каналов системы мобильной связи определить самостоятельно делением ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов. Ширину выделенного спектра и ширину канала связи (см. таблицу 4.3). Учесть, что один канал связи, как в прямом так и в обратном направлениях для связи не используется;

8) определить самостоятельно среднее количество абонентов, приходящихся на один канал связи ;

9) минимальное количество абонентов, которые могут быть одновременно обслужены:

.                                              (4.5)

Т.к. cхема организации каналов – TDMA, одновременно могут быть обслужены одним частотным каналом от одного абонента до восьми в ЧНН – по количеству временных окон (тайм-слотов) в одном TDMA-кадре (временном фрейме);

10)  относительное количество абонентов, которое может быть одновременно обслужено:

 .                                           (4.6)

Задача 2

Определить эффективность η (КПД) тeлекоммуникационной системы с количеством каналов n – (см. таблицу 4.5) для мобильной связи с активностью абонента или нагрузкой на сеть от одного абонента α  Эрл.

При числе каналов связи базовой станции n определить допустимое число мобильных терминалов сотовой сети связи N, которые может обслужить базовая станция при вероятности отказов РОТК = 0,01 в системе с предоставлением каналов по требованию.

Таблица 4.5 - Зависимость варианта от последней цифры зачетной книжки

Последняя цифра зачетной книжки

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

, Эрл

0,01

0,015

0,02

0,025

0,01

0,015

0,02

0,025

0,01

0,015

10

25

15

20

20

15

25

30

15

35

Краткие теоретические сведения.

Рассмотрим телекоммуникационную сеть с представлением каналов по требованию типа «звезда» с БС базовой станцией (или коммутатором) с числом каналов n.

Принимаем, что статистические характеристики всех источников сообщений (абонентов) одинаковы.

Обозначим через λ среднее число вызовов на связь от одного абонента в единицу времени, β среднюю продолжительность сеанса связи одного абонента. Тогда  Т   есть чистое время работы абонента за время Т.

Относительное время работы одного абонента за время Т, равное , называется активностью абонента или наrрузкой на сеть от одноrо абонента. Beличину α (безразмерную) принято измерять в Эрлангах (0 ≤ α ≤ l).

Для мобильного абонента, работающего в сотовой сети связи, принимают нaгpузку α = 0,01 – 0,03 Эрл, в час наибольшей нагрузки (ЧНН) [5,6].

Нагрузка от N абонентов сети есть Nα ЭРЛ. При большом числе абонентов N >>1 суммарный поток вызовов от всех абонентов в теории мaccoвoгo обслуживания называется простейшим без последствия и описывается распределением Пуассона.

Эффективность использования телекоммуникационных каналов (как бы коэффициент полезного действия  кпд телекоммуникационной системы) есть график величины η, представленный на рисунке 4.1  для РОТК = 0,01.

Рисунок 4.1 – Эффективность использования телекоммуникационных каналов при РОТК = 0,01

Эффективность использования телекоммуникационных каналов связана с  (1-Pотк)Nα - обслуженной нагрузкой соотношением:

.                                    (4.7)

Список литературы

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи/ СПб., ГУ.

2. Карташевский В.Г. и др.  Сети подвижной связи. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.

3. Ратынский М.В.   Основы сотовой связи / Под ред. Д.Е. Зимина. - М.: Радио и связь, 2000.

4. Коньшин С.В. Технологии беспроводной связи: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

5. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи: Учебное пособие – РГАТА, Рыбинск, 2008. – 122 с.

6. Тепляков И.М. Телекоммуникационные системы: Сборник задач: Учебное пособие. М.: ИП «РадиоСофт», 2008 - 240 с.

7. Ликонцев Д.Н. Специальные вопросы курса - Распространение радиоволн. –ТУИТ, Ташкент, 2008.

8. Базовые технологии локальных сетей / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 1999.

Содержание

Введение

3

1 Требования к выполнению и оформлению РГР

4

2 Расчетно-графическая работа №1. Расчет дальности связи, расчет мощности сигнала, необходимого для преодоления теплового шума, расчет эффективности телекоммуникационной системы

5

3 Расчетно-графическая работа №2. Расчет зависимости дальности связи от скорости передачи, расчет величин пространственной и временной корреляции и расчет емкости телекоммуникационной системы связи

15

4 Расчетно-графическая работа №3. Расчет емкости системы связи стандарта GSM

19

Список литературы

25

Св. пл. 2013 г.,поз.126

Бактыхан Байбориевна Агатаева
Людмила Ивановна Сарженко
Евгений Олегович Зайцев

Технология беспроводной связи
Методические указания к расчетно-графическим работам
(для специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации)

Редактор    Л. Т. Сластихина
Специалист по стандартизации   Н. К. Молдабекова

Подписано в печать ___.___.___
Формат 60×84 1/16
Тираж 150  экз.
Бумага типографская №1
Объем 1,6   уч.-изд.л.
Заказ №____ Цена  800  тенге

Копировально-множительное бюро
Некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126