Печаткин А.В. Системы мобильной связи (часть 1) Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи

Подождите немного. Документ загружается.

111

Полоса шириной 24,5 МГц выделена системе, работающей в режиме

частотного разделения каналов (FDMA/FDD). Ширина одного канала со-

ставляет 25 кГц.

Предположим, что средняя продолжительность разговора в час пик

ср

= 6 мин, средняя частота поступления вызовов 

ср

= 1 вызов в час и ве-

роятность отказа (блокировки) в сотовой системе составляет GOS

= 0,02

(т. е. не более, чем два из ста абонентов в час получат отказ при первом

обращении к сети).

Вычислим количество сот, охватывающих всю область.

Рассчитаем площадь одной гексагональной соты:

5393363

,rS

 км

Таким образом, для того, чтобы охватить весь город, требуется

= 3300/93,53 = 35,28  36 сот.

Затем вычислим количество каналов, выделенных каждой соте.

Поскольку в распоряжении системы находится полоса частот шириной

24,5 МГц, а одно соединение требует двух каналов (прямого и обратного)

по 25 кГц каждый, то для 7-ми сотового кластера количество дуплексных

каналов в соте будет равно

С = 24,510

/( 7 22510

)  25 каналов.

Из выражения (4.7) можно найти, что для С =25 каналов на соту и веро-

ятности блокировки GOS

= 0,02 интенсивность трафика в одной соте со-

ставит А

ТЯ

= 17,5 Эрл.

Поэтому суммарный трафик всей системы будет равен

ТЯ

 N

= 17,536 = 630 Эрл.

Трафик на одного абонента составит

АБ

= 

ср

T

ср

= 16/60=0,1 Эрл.

На основе этих значений определяется количество пользователей, ко-

торых может обслужить система. Это количество равно

= А

ТЯ

/А

АБ

= 630/0,1  6 300 пользователей.

Количество каналов системы мобильной связи можно определить де-

лением ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов.

В данном примере

112

9 МГц/(250 кГц) = 180 каналов.

Тогда количество пользователей, приходящихся на один канал, равно

6 300/180 = 35 пользователей.

Максимальное количество пользователей, которые могут быть одно-

временно обслужены, определяется количеством каналов в соте и количест-

вом сот в системе и будет равно



= 2536 = 900 пользователей.

Следовательно, если все каналы во всех сотах будут одновременно за-

няты, то система сможет обслужить 900/6300 = 14,29 % пользователей.

Можно сделать вывод о том, что благодаря идее транкинга ресурсы

системы могут быть много меньше количества пользователей всей системы.

Сложный момент, который до сих пор не принимался во внимание, со-

стоит в том, что пользователи во время разговора могут перемещаться из

одной соты в другую. Если они пересекают границу соты, необходимо вы-

полнять процедуру передачи соединения – хэндовер (англ. handover).

В новой соте нужно найти новый канал и только после этого можно ос-

вободить канал в старой соте.

Следовательно, расчет трафика становится более сложным.

Возможное решение этой проблемы – создание программной системы

имитационного моделирования, которая учитывает перемещение подвиж-

ных станций и передачу соединений.

Статистические свойства мобильности абонентов в сотах, охватываю-

щих территорию городской застройки, отличаются от аналогичных харак-

теристик сот, обеспечивающих покрытие незастроенной сельской местно-

сти с проходящей по ней автострадой.

113

5. ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АНТЕНН

Возрастание спроса на услуги сотовой телефонии и средства беспро-

водного доступа к телекоммуникационным сетям приводит к необходимо-

сти непрерывно увеличивать емкость существующих систем. Емкость со-

товой системы, выражаемая в плотности трафика, приходящегося на еди-

ницу площади, зависит от многих факторов:

 ширины частотного диапазона, выделенного системе;

 ширины спектрального канала, требуемого для одной несущей,

 используемого метода многостанционного множественного доступа;

 вида модуляции;

 методов приема и обработки информационного сигнала;

 допустимой величины отношения сигнал/шум;

 типа антенн базовых станций, в особенности количества антенных сек-

торов.

По-видимому, одним из важнейших факторов, благодаря которым воз-

никает возможность в ближайшем будущем существенно увеличить емкость

систем подвижной связи, является технология интеллектуальных антенн

[2]. Интеллектуальные антенны включают в себя массивы антенных ре-

шеток, аппаратное и программное обеспечение цифровой обработки сиг-

налов, которые позволяют формировать диаграммы направленности (ДН) и

оценивать направление поступления (англ. Direction of Arrival – DoA) сиг-

нала.

Интеллектуальные антенны могут применяться как в существующих,

так и в будущих системах. Данная технология уже нашла применение в

аналоговых системах первого поколения, таких, как NMT, в системах вто-

рого поколения – GSM и DCS 1800. а также в американской системе

TDMA IS-54. Технология интеллектуальных антенн планируется к приме-

нению в системе третьего поколения UMTS.

В обычной сотовой системе связь между базовой станцией и находя-

щимися в соте подвижными станциями устанавливается посредством не-

направленной или секторной антенны. Типовые секторные антенны излу-

чают и принимают сигналы в секторе 180°, 120° или 60°. Большая часть

энергии, излучаемой антенной базовой станции, тратится впустую, по-

скольку в данный момент времени подвижные станции находится в строго

определенных местах.

114

Если бы сигнал, предназначенный конкретной подвижной станции,

посылался только в ее направлении, а угол излучения уточнялся и изменялся

в соответствии с перемещением подвижной станции, то это позволило

бы сэкономить много энергии.

Экономию энергии можно выразить через возрастание отношения

сигнал/шум при передаче данных между подвижной и базовой станциями

или увеличение зоны радиопокрытия базовой станции.

Сильная направленность антенны также ограничивает эффект много-

лучевого распространения, поскольку исключает наиболее длинные пути

прохождения сигнала, получаемые при отражении его от препятствий, рас-

положенных на больших углах от нужного направления. Узкий луч диа-

граммы направленности передающей антенны может быть создан специа-

лизированной матричной антенной решеткой.

Процесс внедрения технологии интеллектуальных антенн состоит из

трех этапов [2].

На первом этапе интеллектуальные антенны применяются только для

нисходящего направления. Благодаря их использованию дальность дейст-

вия базовых станций увеличивается. Это эквивалентно возможному

уменьшению мощности, излучаемой подвижными станциями. Последнее

особенно выгодно с точки зрения охраны здоровья. Другое преимущество,

рассмотренное ранее, – уменьшение количества базовых станций, необхо-

димого для покрытия заданного района. Оно особенно привлекательно для

систем DCS 1800, PCS 1900 и других систем с меньшими сотами, чем в

стандартной сотовой телефонии, и позволяет снизить стоимость разверты-

вания и эксплуатации системы в районах с низкой плотностью трафика.

На втором этапе интеллектуальные антенны применяются на базовых

станциях для работы как в нисходящем, так и в восходящем направлениях.

Основная задача этого этапа внедрения – снижение уровня помех за счет

формирования лепестка ДН, передачи сигнала только в направлении базо-

вой станции, а также отслеживания ее местоположения. Эту технологию

часто называют пространственной фильтрацией для снижения уровня по-

мех (англ. Space Filtering for Interference Reduction – SFIR). Она позволяет

снизить мощность, излучаемую базовой станцией. Уменьшение уровня

внутриканальных помех позволяет сократить размер сотового кластера.

Это, в свою очередь, оказывает влияние на емкость системы, поскольку по-

зволяет повысить коэффициент повторного использования частоты.

Наконец, на третьем этапе, к известным технологиям множественно-

го доступа FDMA, TDMA и CDMA добавляется многостанционный доступ

с пространственным разделением каналов SDMA (англ. Space Division Mul-

115

tiple Access). Формирование лепестка диаграммы направленности интел-

лектуальной антенны, отслеживание местоположения подвижных станций

и снижение уровня внутриканальных помех позволяет нескольким под-

вижным станциям использовать один и тот же канал внутри одной соты,

если их разделяет достаточное угловое расстояние. Это существенно уве-

личивает емкость и гибкость системы.

Основная причина высокого интереса к внедрению технологии интел-

лектуальных антенн в системах подвижной связи заключается в ожи-

даемом увеличении емкости систем, измеряемой в интенсивности обслу-

живаемого трафика на единицу площади.

Благодаря внедрению этой технологии появляется более точная мера

увеличения емкости – спектральная эффективность 

, характеризующая

величину трафика, приходящегося на единицу площади и на 1 Гц. Значе-

ние этого параметра (в Эрл/м

/Гц) рассчитывается по формуле

sys

СС

 ,

(5.1)

где N

– количество каналов в соте; G

– предполагаемая загрузка соты

трафиком (суммарный объем трафика, приходящего на соту в течение за-

данного периода времени); S – площадь соты; W

sys

– ширина частотного

диапазона, используемого системой.

Величины ожидаемых приростов емкости системы при использова-

нии интеллектуальных антенн зависят от способов их применения и до-

пущений, сделанных при анализе системы.

Сложная природа явления и взаимосвязь многих параметров вызыва-

ют необходимость строить подробные имитационные модели для опреде-

ления преимуществ, которые приносят интеллектуальные антенны, вводя

некоторые допустимые упрощения. Эти упрощения относятся к распо-

ложению подвижных станций в соте, характеру перемещения подвижных

станций и влиянию подвижных и базовых станций из других сот.

Ранее были описаны три этапа внедрения технологии интеллектуаль-

ных антенн в системы сотовой связи. Приводимая ниже оценка преиму-

ществ использования этой технологии связана со вторым и третьим эта-

пами. Увеличение спектральной эффективности системы с технологией

SFIR по сравнению с обычной системой определяется равным. В системе,

использующей технологию SDMA, это преимущество полагается равным

, где K не превышает 3 при М = 8 антенных элементов. В [2] приве-

ден отчет о результатах моделирования, в котором учитывался хэндовер

116

(эстафетная передача управления трафиком пользователя между сотами

одной системы). Предполагалось, что отношение сигнал/внутриканальная

помеха уменьшается до уровня, не превышающего порог (9 + 6 = 5) дБ для

системы GSM. Величина 9 дБ соответствует установленному в стандарте

GSM отношению сигнал/внутриканальная помеха, необходимому для на-

дежной работы системы. Дополнительные 6 дБ обусловлены эффектом за-

тенения

. Учитывались реальные диаграммы направленности антенн.

В табл. 5.1 приведены подробные результаты моделирования, взятые

из работы [2] и позволяющие получить представление о повышение спек-

тральной эффективности , благодаря применению технологии интеллек-

туальных антенн по сравнению с системами, использующими ненаправ-

ленные или секторные антенны.

Таблица 5.1

Повышение спектральной эффективности 

Системы с ненаправленными

антеннами

Системы с секторными

антеннами

Секторные антенны

2,3 1,0

SFIR N = 3 2,3 1,0

SFIR N = 1 7,0 3,0

SDMA N = 3 2,8

SDMA N = 1 9,8 5,4

Примечание: N – размер сотового кластера

В исследовании использовалась модель распространения сигнала, при

которой излучаемая мощность уменьшается пропорционально четвертой

степени расстояния до базовой станции. Размер сотового кластера состав-

ляет N = 3 или N = 1, что указывает на возможность использования всего

набора несущих в каждой соте.

Сравнив эти величины со стандартными N = 4, в случае использова-

ния 120°-секторных антенн в системе GSM или с N = 1 и N = 12 в аналого-

вых системах, можно сделать вывод о существенном повышении спек-

тральной эффективности, особенно в случае применения технологии

SDMA.

Некоторые потери наблюдаются, когда регулировка мощности излу-

чения подвижной станции неидеальна. Цена, которую потребуется запла-

Запас на медленные замирания.

117

тить за увеличение емкости – это не только усложнение антенного ком-

плекса и радиочастотной части приемопередатчика, но и введение допол-

нительного блока цифровой обработки сигналов, управляющего диаграм-

мой направленности антенной решетки.

Из-за большого числа принятых сигналов существенно усложняются

и блоки предварительной обработки приемника, особенно если в каждой

ветви используется детектирование по принципу максимального правдо-

подобия.

В системах, использующих метод SDMA, также усложняется и поря-

док выделения каналов, поскольку алгоритм выделения каналов должен

дополнительно учитывать угловое расстояние между подвижными стан-

циями. Увеличивается частота передач соединений внутри соты (внутри-

сотовый хэндовер).

В целом технология SDMA может рассматриваться как значительный

вклад в спектр методов многостанционного доступа – FDMA, TDMA и

CDMA.

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование – один из наиболее сложных и ответственных этапах

развертывания системы мобильной связи, поскольку при этом необходимо

обеспечить возможно более близкое к оптимальному соотношение «эф-

фективность/стоимость».

Формально задача проектирования проста: выбрать стандарт связи,

определить места расположения базовых станций и/или ретрансляторов

сигналов, рассчитать размеры коммуникационных ячеек и зоны обслужи-

вания и распределить между базовыми станциями имеющие частотные

каналы. При этом необходимо стремиться к достижению заданного уров-

ня качества обслуживания при минимальном числе базовых станций и

максимально возможной сетевой емкости, т. е. при минимальной стоимо-

сти инфраструктуры сети. С этой целью целесообразно провести компью-

терное моделирование зоны обслуживания и комплексную оценку качест-

ва радиопокрытия с помощью многочисленных специализированных

САПР и CAE-систем, широко представленных на рынке телекоммуника-

ций.

Однако фактически подобная задача представляет собой сложный

аналитический процесс.

С одной стороны, чрезмерное сгущение сети (частое расположение

базовых станций) невыгодно, т. к. увеличиваются неоправданные затраты

и, как следствие, приводит к удорожанию услуг связи, а следовательно – к

потере абонентов.

С другой стороны, слишком редкое расположение базовых станций

может привести к появлению необслуживаемых «теневых» участков, так

называемых «белых пятен», что тем более недопустимо.

Задача дополнительно усложняется трудностью аналитической оцен-

ки характеристик распространения сигналов и расчета напряженности по-

ля, а также необходимостью учета неравномерности телетрафика в преде-

лах зоны обслуживания. Поэтому проектирование систем мобильной свя-

зи требует привлечение высококвалифицированных специалистов, имею-

щих опыт как в части решения технических (инженерных) задач, так и в

вопросах рыночной экономики и характеристик рынка.

Конфигурация и параметры сети существенным образом зависят от

условий местности (рельефа, характеристик застройки, наличия промыш-

ленных помех и т. п.), поэтому в ходе разработки проекта приходиться

119

выполнять значительный объем расчетов, требующих интенсивного ис-

пользования вычислительных средств.

Проектирование представляет собой итерационный (т. е. многократно

повторяющийся) процесс и предусматривает выполнение следующих ос-

новных этапов:

 создание электронной карты территории, т. е. перенос в компьютер

топографической карты местности со всеми параметрами и характеристи-

ками, существенными для выполнения проекта;

 выбор антенных комплексов для базовых станций и ретрансляторов

(односекторные, многосекторные);

 предварительное проектирование коммуникационных ячеек (сот) и

позиций базовых станций (ретрансляторов) с учетом характеристик наме-

чаемой к использованию аппаратуры и результатов приближенной оценки

энергетического баланса;

 предварительный расчет качества радиопокрытия зоны обслужива-

ния, полученной на предыдущем этапе электронной схемы-макета, с ис-

пользованием имеющихся моделей радиоволн и характеристик местности;

 составление территориально-частотного плана зоны обслуживания,

представляющего собой распределение частотных каналов в соответствии

с принципом повторного использования частот;

 предварительная оценка интенсивности телетрафика и емкости для

наиболее характерных или критичных участков и сети в целом;

 предварительная корректировка составленной схемы для ее ком-

плексной проверки и уточнения, с целью выявления несоответствий в вы-

полнении предъявляемых требований;

 экспериментальные измерения характеристик электромагнитного

поля и повторная корректировка электронного макета сети (необходимый

объем экспериментальных измерений, а также частота их повторения оп-

ределяются на основании опыта разработчиков);

 окончательная доводка и корректировка макета;

 монтаж, настойка и оптимизация оборудования и сети в целом.

После сдачи сети мобильной связи в эксплуатацию ее проектирование

не заканчивается: ни одна из существующих сетей не является статичной,

ее эксплуатация требует доработки с целью расширения, совершенствова-

ния, повышения качества работы.

Оптимальное выполнение перечисленных выше мероприятий вновь

требует привлечения специалистов фирмы-проектировщика, т. о. между

оператором сети (компанией, предоставляющей населению услуги мо-

120

бильной связи) и разработчиками существует постоянный контакт, преду-

сматривающий с одной стороны, обучение технических специалистов

компании-оператора в центрах переподготовки, с другой стороны практи-

ческим обмен опытом между техническими службами компании-

оператора и компании-разработчика для совершенствования методики

проектирования и снижения затрат на последующие разработки.