ПТСМС / Planirovanie_radiosetei(2)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С.А. ТЮРИН, Е.Л. КОН, Н.Н. МАТУШКИН

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ ГОРОДСКИХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

УДК 004.7 Т 001

Рецензенты:

канд. техн. наук И.Л. Котельников

(ООО «Сотрудник», г. Пермь) д-р техн. наук, профессор С.Ф. Тюрин

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Тюрин, С.А.

Т 001 Перспективные технологии беспроводных городских инфокоммуникационных сетей: учеб. пособие / С.А. Тюрин, Е.Л. Кон, Н.Н. Матушкин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 163 с.

Рассматриваются вопросы проектирования сетей мобильной связи. Приведены особенности сетей мобильной связи различных поколений, структура сетей, технологии радиоинтерфейса, оказываемые услуги, направления дальнейшего развития сетей мобильной связи. Основное внимание уделено вопросам планирования сетей GSM/EDGE/WCDMA. Приведенный материал проиллюстрирован примерами. Приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельного изучения.

Материалы учебного пособия представлены с учетом требований сетевой образовательной программы: представлены возможности применения дистанционных технологий как при изучении теоретического материала, так при выполнении практических и лабораторных работ.

Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 11.04.02 (210700) «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», магистерской программы 11.04.02.54 (21070054.68) «Инфокоммуникационные технологии и сети городской инфраструктуры».

УДК 004.7

© ФГБОУ ВПО ПНИПУ, 2014

2

4

Введение

Связь – отрасль экономики России, которая бурно развивается последние десятилетия, в особенности беспроводная связь. Развитие технологий беспроводной передачи приводит к появлению новых сетей и новых услуг.

Первое поколение сетей мобильной связи появилось в России в 1991 г. Сегодня в эксплуатации находятся сети второго (GSM) и третьего (UMTS) поколений, идет внедрение сетей четвертого поколения (LTE).

Операторам сетей мобильной связи (Ростелеком, МТС, Мегафон, Билайн) для эксплуатации существующих и внедрения новых сетей требуются специалисты компетентные в области телекоммуникаций. Одна из вакансий, в которой остро нуждаются операторы связи – инженер по планированию радиосети.

Операторы предъявляют следующие требования к соискателю на эту должность:

−высшее образование по специальности телекоммуникации,

−знание основ теории сотовой связи стандартов GSM/UMTS/LTE,

−знание теории радиосвязи, антенных устройств и распространения радиоволн,

−хороший уровень владения английским языком (чтение, разговорный),

−уверенное владение офисными приложениями,

−знакомство с геоинформационными системами.

Инженер по планированию радиосетей должен решать следующие задачи:

−выбор площадок для размещения базовых станций, определение технических параметров секторов, выбор оборудования;

−расчет зон обслуживания и уровня качества с использованием специализированного ПО (Aircom Asset, TEMS Cell Planner, ATOLL);

−анализ прогнозов изменения нагрузки и запросов по покрытию, планирование развития радиосети;

−подготовка данных для заказа оборудования и бюджета;

−подготовка ответов на обращения клиентов.

Формирование компетенций в области планирования радиосетей – цель дисциплины «Перспективные технологии беспроводных городских

−способен применять современные инструментальные средства для проектирования и анализа беспроводных городских инфокоммуникационных сетей (ПСК-2-2);

−способен разрабатывать и исследовать модели беспроводных городских инфокоммуникационных сетей (ПСК-3-1).

Дисциплина «Перспективные технологии беспроводных городских инфокоммуникационных сетей» является частью сетевой магистерской программы 11.04.02.54 (21070054.68) «Инфокоммуникационные технологии и сети городской инфраструктуры» по направлению 11.04.02 (210700) «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Дисциплина относится к вариативной части цикла профессиональных дисциплин и является обязательной при освоении основной образовательной программы высшего профессионального образования (ООП ВПО).

Дисциплина «Перспективные технологии беспроводных городских инфокоммуникационных сетей» входит в состав сетевого модуля СеОПр. Содержание дисциплины определяет ядро магистерской программы

11.04.02.54 (21070054.68).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующиерезультатыосвоения:

•Знать:

–особенности сетей мобильной связи различных поколений;

–структуру сети, технологии радиоинтерфейса;

–оборудование, используемое при построении сети, его технические характеристики;

–этапы планирования радиосети;

–современные инструментальные средства планирования и

оптимизации беспроводных инфокоммуникационных сетей.

• Уметь:

–выбирать площадки для размещения базовых станций, определять технические параметры секторов, выбирать оборудование, подготавливать данные для заказа оборудования;

–обрабатывать информацию о прогнозе профиля трафика, числа абонентов для конфигурации проекта;

–рассчитывать покрытие радиосети, качественные показатели

радиосети;

–выполнять сбор и анализ статистики;

–выбирать инструментальные средства для решения поставленной

задачи.

• Владеть:

–навыками частотного планирования;

–навыками разработки технических заданий на строительство объектов связи;

6

– навыками работы с программными комплексами планирования радиосетей.

Трудоемкость дисциплины составляет 180 часов, из них лекции 6 часов, практических занятий 18 часов, лабораторный практикум 16 часа и самостоятельная работа 100 часов.

Структура учебного пособия организована по модульному принципу. Глава учебного пособия соответствует разделу дисциплины, темы раскрываются в соответствующих подглавах и параграфах.

Первая глава пособия посвящена сетям принципам построения сетей мобильной связи. Вторая – планированию сетей мобильной связи. Каждая глава содержит примеры, контрольные вопросы и задания, которые позволяют студентам самостоятельно оценить уровень освоения теоретического материала, подготовиться к практическим занятиям и к выполнению индивидуальных заданий в рамках самостоятельной работы по дисциплине.

7

1 Сети сотовой связи

1.1Введение

Развитие (эволюция) сотовых технологий продолжается с конца 1950 гг., хотя первые коммерческие системы появились в конце 1970 начале 1980 гг. Рассмотрим краткий обзор сотовых технологий и сетей, которые оказали влияние на разработку и быстрое развитие мобильных коммуникаций [1, 8].

1.2Первое поколение сотовых сетей

С конца 1970, когда началась сотовая эра, мобильные коммуникации переживают эволюционные изменения каждое десятилетие с точки зрения технологий и использования. Япония занимает первое место в развитии сотовых технологий, что привело к развертыванию первых сотовых сетей в Токио. Через пару лет в Европе начала действовать сотовая сеть Nordic Mobile Telephony (NMT). Наряду с этим, начинают действовать такие системы, как AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США, и TACS (Total Access Communication System) в Великобритании. Они составляют ту часть систем, которые называются «Первое поколение мобильных систем». Эти системы ориентированы на речевые услуги и были основаны на методах аналоговой передачи. Географическая область была разделена на небольшие сектора (участки), которые назывались ячейками/сотами (cell). Таким образом, технология получила название «сотовая технология», а телефоны были названы сотовыми телефонами. Все системы, которые были первоначально разработаны, были несовместимы друг с другом. Каждая из этих сетей реализована на своих собственных стандартах. Такая возможность, как роуминг внутри континента, была невозможна, и в большинстве стран был только один оператор. Проникновение было также низким; например, проникновение в Швеции было только 7%, а в Португалии – 0,7%. Сотовые телефоны были также дороги, минимальная цена была более $1000. Помимо высокой стоимости и несовместимости с другими сотовыми сетями, технология первого поколения также имела ограничение с точки зрения каналов и т.д.

1.2.1 NMT (Nordic Mobile Telephony)

Система мобильного связи NMT была создана в 1981 году как ответ на растущую перегрузку и высокие требования сети мобильной связи ARP (автомобильный радиотелефон). Технический принципы NMT были готовы к 1973, а спецификации для базовых станций были готовы в 1977 году. Они основывались на аналоговых технологиях (первое поколение или 1G) и существуют в двух вариантах: NMT 450 и NMT 900. Цифры указывают

8

используемые полосы частот. Сеть NMT 900 была разработана в 1986 году, и позволяет организовать больше каналов, чем в сети NMT 450. Сеть NMT использовалась, главным образом, в северных странах Европы, странах Балтии и России, а также на Ближнем Востоке и в Азии. В стандарте NMT коммутация с самого начала была в автоматическом режиме. Кроме того, стандартом NMT предусматривался биллинг и роуминг. Спецификации NMT были свободными и открытыми, что позволяло многим компаниям производить NMT оборудование, и приводило к падению цен. Недостатком исходной спецификации NMT было отсутствие шифрования трафика. Для прослушки разговоров нужно всего лишь купить сканер и настроить его на правильную частоту. Более поздние версии спецификации NMT включали опциональное аналоговое шифрование, которое было основано на двухполосной инверсии аудио частот. Если базовая станция и мобильная станция поддерживали шифрование, они могли согласовать его использование при инициировании телефонного вызова. Кроме того, если два пользователя имели мобильные станции, поддерживающие шифрование, они могли включить его во время разговора, даже если базовые станции не поддерживают его. Размеры ячеек в сети NMT были диапазоне от 2 км до 30 км. При меньших размерах сот сеть может одновременно обслуживать большее количество абонентов. В NMT используется дуплексная передача, что позволяет одновременный прием и передачу голоса. Максимальная мощность передачи автомобильных (возимых) телефонов составляла 6 Вт, а носимых – 1 Вт. Сигнализации между базовой станцией и мобильной станцией осуществлялась на тех же радиочастотных каналах, которые использовались для передачи речи, с использованием FFSK модуляции на скорости 1200 бит/с.

1.2.2AMPS (Advanced Mobile Phone System)

ВСША первые лицензии на сотовые системы были выданы в 1981 году, а услуги сотовой связи с использованием AMPS начали предоставляться в 1983 году в Чикаго и в области Балтимор-Вашингтон.

AMPS была основана на технологии FDMA (доступ с частотным разделением каналов), которая позволяла обслуживать несколько пользователей в соте или секторе. Изначально, размер ячейки не был фиксированным, и в городских районах использовался радиус 8 миль и 25 миль в сельской местности. Рост числа пользователей приводил к появлению новых ячеек, что требовало пересмотра частотного плана для предотвращения проблем с помехами. Эта система имела не только проблемы, связанные с пропускной способностью, но и с безопасностью. Зная последовательный код другого человека, можно было совершать незаконные вызовы. Хотя были предприняты усилия для решения этих проблем, особенно связанных с емкостью, результаты не были достаточными и отрасль начала искать другие варианты, которые привели к появлению

9

следующего поколения цифровых систем. Система TACS была похожа на AMPS и работала в диапазоне частот 900 МГц.

1.3Второе поколение сотовых сетей

В связи с несовместимостью различных систем Европейская комиссия начала серию дискуссий по поводу изменения существующей телекоммуникационной нормативной базы, которое привело к развитию рынка телекоммуникационных услуг и оборудования. В начале 1990-х стали использоваться цифровые технологии передачи и это привело к появлению систем следующего поколения, называемых «Мобильных системы второго поколения». К основным системам 2G относятся GSM (Global Systems for Mobile Communications), TDMA IS-136, CDMA IS-95, PDC (Personal Digital Cellular) and PHS (Personal Handy Phone System).

1.3.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)

IS-54 и IS-136 (IS - Interim Standard, промежуточные/временные стандарты) являются мобильными системами второго поколения, которые составляют D-AMPS. Это было цифровое развитие существовавших тогда в Америке систем AMPS. В качестве протокола множественного доступа в радиоинтерфейсе был использован множественный доступ с временным разделением (TDMA). Система D-AMPS использовала существующие AMPS каналы, что позволило плавно перейти от аналоговых систем к цифровым. Емкость соты была увеличена в три раза по сравнению с предыдущей аналоговой системой за счет использования на каждой частоте трех временных интервалов и цифрового сжатия голосовых данных. Цифровые системы сделали вызовы более безопасными, потому что аналоговые сканеры не могли получить доступ к цифровым сигналам.

В IS-136 по отношению к IS-54 был добавлен ряд функций, таких как обмен текстовыми сообщениями, передача данных с коммутацией каналов

(Сircuit switched data, CSD) и улучшен протокол сжатия. Услуги SMS и CSD

всистемах IS-136 и GSM были реализованы почти идентичным образом.

1.3.2CDMA (Code Division Multiple Access)

CDMA имеет много вариантов на рынке сотовой связи. N-CDMA, т.е. узкополосная CDMA (или просто CDMA), был разработана Qualcomm, и известна в США как IS-95, и была первым поколением технологии. Ее характерными особенностями были большая емкость и малый радиус ячейки. CDMAOne (IS-95) представляет собой второе поколение системы, имея такие преимущества, как увеличение емкости (почти в 10 раз, по сравнению с AMPS), улучшение качества и покрытия, улучшение системы безопасности и т.д. Развитием CDMAOne была система IS-95B, которая объединяет

10