Учебное пособие 871

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра систем информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям по дисциплине «Беспроводные системы связи и их безопасность» для студентов специальности

090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» очной формы обучения

Воронеж 2014

Практическая работа №1 Расчет радиопокрытия зоны обслуживания в системах

сотовой мобильной связи

Цель практической работы заключается в численном расчете радиопокрытия зоны обслуживания в системах сотовой мобильной связи.

Задачи практической работы:

рассмотреть цели и задачи проектирования в системах сотовой мобильной связи;

рассмотреть методы проектирования в системах сотовой мобильной связи;

изучить принципы радиопокрытия зон обслуживания;

изучить статистический метод радиопокрытия зоны обслуживания;

изучить детерминированный метод радиопокрытия зоны обслуживания;

рассчитать радиопокрытие зоны обслуживания с учетом данных постановки задачи.

Теоретические сведения

1. Цели и задачи проектирования

Целью проектирования является оптимальное построение сети сотовой мобильной связи по основному критерию: высокая эффективность — минимальная стоимость [1]. В связи с этим к задачам проектирования такой сети можно отнести:

определение мест установки базовых станций (BTS),

распределение частотных каналов между сотами, то есть составление схемы повторного кластерного распределения частот в сотовой сети,

определение числа пользователей по рассчитанному трафику,

1

оптимизацию сотовой сети по минимальному числу сот (минимальной стоимости развертывания сети) и высокой надежности связи.

Естественно, требования высокой эффективности и минимальной стоимости противоречивы: если чрезмерно увеличить число сот (то есть уменьшить размеры сот, создав микроили пикосоты), то это увеличит надежность связи (то есть увеличит качество связи — заданное значение вероятности ошибки на бит), увеличит возможное число пользователей, уменьшит максимальные значения выходных мощностей мобильных станций на краях сот (то есть уменьшит уровень электромагнитного облучения пользователей), но все это приведет к тому, что увеличится стоимость развертывания сотовой сети и в определенной степени ее эксплуатация. В случае редкого расположения сот (малого их числа) при больших максимальных радиусах сот могут появиться «мертвые зоны», в которых невозможно обслуживание пользователей, возрастут мощности излучения мобильных телефонов на краях сот (увеличится уровень электромагнитного облучения пользователей) [1]. Так как технология и параметры сотовой сети существенно зависят от условий местности (рельефа, лесных массивов, застройки и т.п.), то при проектировании сотовой сети необходимо наличие:

топографических карт местности со всеми параметрами и характеристиками (неровностей, лесных массивов, густоты застройки);

характеристик намечаемой к использованию аппаратуры и результатов приближенной оценки энергетического баланса, а также результатов предварительного проектирования сот сети и мест расположения базовых станций (радиопокрытие территории);

полученной схемы радиопокрытия территории с использованием соответствующих моделей распространения радиоволн и характеристик местности; при этом необходимо более точно рассчитать пара-

2

метры электромагнитного поля в пределах обслуживаемой территории, позволяющие оценить качество радиопокрытия;

составленного территориально-частотного плана (распределение частотных каналов по сотам в соответствии с принципом повторного использования частот) для разработанной сотовой сети, а также оценок трафика и емкости для характерных участков,

сот и сети в целом.

Если по каким-либо показателям (качеству радиопокрытия, трафику, емкости) составленная схема не удовлетворяет предъявленным к ней требованиям, производится повторная корректировка, и для уточненной схемы сотовой сети расчеты вновь повторяются.

Таким образом, процесс проектирования сотовой сети является итерационным. Дополнительно к рассмотренному выше порядку проектирования необходимо добавить проведение экспериментальных измерений уровней электромагнитного поля (обычно плотности потока мощности или напряженности электрического поля в различных точках от базовых станций) и по результатам измерений скорректировать вновь схему сотовой сети. Окончательное качество проекта оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также необходимы корректировки и доработка сети. Особенно это относится к начальному этапу эксплуатации развернутой оператором сотовой сети, когда реализуется настройка аппаратуры и оптимизация сотовой сети[2]. Этот этап является наиболее трудоемким.

3

2.Методы проектирования

Впроцессе проектирования сети сотовой мобильной связи решаются следующие основные задачи:

обеспечение радиопокрытия территории, на которой

должны предоставляться пользователям услуги мобильной связи;

построение сотовой сети, емкости которой будет достаточно для обслуживания создаваемого абонентами трафика с допустимым уровнем перегрузок;

оптимизация решения указанных выше задач (с ис-

пользованием минимального числа сетевых подсистем и элементов) на протяжении всего жизненного цикла сотовой сети.

Следует отметить, что на протяжении всего жизненного цикла сотовой сети число ее абонентов, объем трафика и его распределение по обсуживаемой территории постоянно изменяются. Кроме того, существуют сезонные изменения объема трафика и его территориального распределения. Конфигурация сотовой сети должна адаптироваться к происходящим изменениям [1]. Поэтому проектирование сотовой сети и является непрерывным процессом, в котором можно выделить несколько этапов:

проектирование радиопокрытия заданной территории;

проектирование частотного плана (частотное повторение) в зоне обслуживания;

проектирование емкости сети.

3.Принципы радиопокрытия зон обслуживания

Общее число каналов, выделенных для сотовой системы радиосвязи с мобильными объектами, в ряде случаев может быть недостаточно для удовлетворительного обслуживания в пределах городского района при работе в режиме большой зоны обслуживания (при достаточно больших размерах сот). Число допустимых каналов, отнесенных к единице пло-

4

щади (N/S), может быть увеличено при одновременном использовании одних и тех же каналов в пределах небольших сот, расположенных в заданной зоне обслуживания, и при условии их достаточного пространственного разнесения во избежание значительных межканальных помех. Поэтому радиопокрытие зоны обслуживания может быть выполнено на основе использования: либо статистических параметров распространения радиосигналов в сотовых системах связи; либо детерминированным путем, на основе знания параметров распространения радиосигналов для конкретного района, определенного непосредственно измерением или расчетным путем. Кроме того, в настоящее время используются разработанные компьютерные программы [3], которые позволяют определить границы макро- и микросот расчетными методами, используя для этого различные модели распространения радиоволн и цифровые географические карты, на которых учтены рельеф и характер местности.

Рассмотрим особенности статистического и детерминированного методов радиопокрытия зон обслуживания, учитывая, что компьютерные методы, разрабатываемые различными фирмами, являются их «know-how» и обычно не публикуются.

3.1. Статистический метод радиопокрытия зоны обслуживания

Постановка задачи. Пусть необходимо реализовать радиопокрытие зоны обслуживания для сотовой сети с небольшими смежными сотами в городских условиях. Рассмотрим две соты, А и B (рис. 1), с базовыми станциями BTS иBTSB, расположенными в центрах сот, представляющих собой окружности с радиусами и и равными максимальному

радиусу соты .

Центры сот AиB находятся на расстоянии D, при этом между этими сотами находятся другие соты, рабочие радиочастоты в которых отличаются от рабочей частоты сот A и B—

= ≠ .

5

Пусть BTS имеют всенаправленные антенны (работающие в режиме приема и передачи), для которых коэффициент усиления G = 0 дБ. Пусть средняя мощность радиосигнала, принимаемого на границе соты (то есть в точках X и Y) от BTS, изменяется по закону ~ 1/ (где R — расстояние от BTS до MS), а величина степенного коэффициента n — характеризует закон изменения плотности потока мощности с расстоянием в зависимости от условий распространения: для однолучевой модели распространения в свободном пространстве величина п = 2; для многолучевой модели распространения в городских условиях (плотная застройка, высота антенны BTS ≤ 100 м) величина n ~ 4; для многолучевой модели распространения в условиях пригорода, лесных массивов, величина nобычно лежит в пределах 3 <n< 4.

Рис. 1. Пример радиопокрытия зоны обслуживания в городских условиях

Приближенное решение задачи.

1.Если точка находится на линии, соединяющей точки

и , то средняя мощность радиосигнала, принимаемого в

ально величина мощности принимаемого сигнала MS в точке X для системы базовых станций будет случайным процессом,

6

содержащим быстро меняющуюся составляющую (распределенную по релеевскому закону) и медленно меняющуюся составляющую (распределенную по логарифмически нормальному закону).Показанные на рис. 1 базовые станции BTS иBTS ведут передачу на одних и тех же частотах = . В этом случае отношение среднего уровня сигнала к среднему уровню помех запишется в виде [1]:

принимая во внимание то, что замирания сигнала могут происходить как по закону Релея, так и по логарифмически нормальному закону, а также учитывая различные методы разнесения, улучшающие условия приема.

2. В случае кластерной структуры сотовой сети при условии статистически независимых принимаемых сигналов в точке X от всех сот, с равными по частоте сигналами = =, отношение сигнал/помеха запишется в виде:

где суммирование идет в пределах от = 1до M, а величина M

— общее число BTS в зоне обслуживания, — расстояние от точки приема X до M-й базовой станции BTSm. Следует отметить, что выражение (2) справедливо при условии, что мощность сигнала, излучаемого BTSA, достаточна для обеспечения соответствующего отношения сигнал/помеха на расстоянии R и больше, чем от базовой станции BTSB, то есть в сотовой системе имеется ограничение по уровню взаимных помех, а не по мощности сигнала и теплового шума.

Так как радиопокрытие зоны обслуживания достигается с помощью повторного использования радиочастот (а в городских условиях в небольших по размеру сотах), то для случая аппроксимации круговой соты в виде шестиугольника, число сот на кластер определяется из простого выражения:

7

а величина коэффициента повторного использования частот имеет вид:

При этом − могут принимать только дискретные значения: 3, 4, 7, 9, 12, 13, определяемые из выражения:

где k и l— целые числа (например: при k= 1, 1 = 1, C = 3, при к

= 2, 1 = 1, С = 7, и т.д.).

Величину отношения / = , (коэффициент соканального повторения) обычно определяют из допустимых отношений сигнал/помеха S/I и характеристик системы связи [1]. Действительные размеры зон обслуживания, а именно значения D, R, q (а значит и величина С), определяются на основе следующих факторов:

интенсивности предлагаемой нагрузки (трафика);

общего числа радиоканалов, выделенных для сотовой сети;

допустимой интенсивности отказов;

стратегии распределения каналов, принятой для управления системой.

Если интенсивность нагрузки по всей рабочей зоне обслуживания сотовой системы с мобильными станциями равномерна, то проектирование сотовой сети с небольшими по размеру сотами (в пределах города) осуществляется относительно просто. Если же интенсивность нагрузки падает по мере приближения к черте города, то ввиду высокой стоимости оборудования BTS для минимизации стоимости системы связи на окраинах города увеличивают размеры сот (а значит и радиусы обслуживания), то есть величина q = D/R уже становится пе-

8