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

Подождите немного. Документ загружается.

между подвижной и базовой станциями составляет от 1 до 100 км, а

эффективная высота антенны базовой станции лежит в диапазоне от 30

до 1000 м.

В настоящее время предложены дополнительные корректирующие

члены, позволяющие учесть наклон и неровности местности, а также ее

тип [2].

В справочной литературе можно обнаружить другой вариант форму-

лы, описывающей модель Окамуры. Она имеет вид

















AREAMSBS,effS

GhGhGf,dALL







(2.76)

Параметр А(f,d), как и ранее, берется из эмпирического графика, а

корректирующие члены G(h

BS,eff

) и G(h

) задаются выражениями

 

мh,

lghG

BS,eff

100010

200

20 













 ;

(2.77)

 

мh,

lghG

10 













 ;

(2.78)

 

мh,

lghG

BS,eff

103

20 













 .

(2.79)

Поправочный коэффициент G

AREA

, выраженный в дБ, зависит от типа

местности и несущей частоты и также находиться из эмпирического гра-

фика [2].

Модель Окамуры очень проста. Она основана исключительно на экс-

периментальных данных, собранных в районе Токио. Характеристики

японской городской местности немного отличаются от характеристик го-

родской местности в Европе или США. Несмотря на это, модель Окамуры

пользуется популярностью и считается наилучшей моделью для разработ-

ки сотовых и других систем наземной подвижной связи [1,2]. Основной

недостаток модели Окамуры – медленная реакция на изменение типа ме-

стности. Эта модель лучше всего подходит для городских и пригородных

районов и не очень эффективна для сельской местности.

2.5.4. Модель Хата

Модель Хата (англ. Hata) возникла в результате адаптации эмпириче-

ских формул к графикам, составленным Окамурой и его соавторами. Эти

формулы хорошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах

несущих частот на квазигладкой земной поверхности. Для оценки затуха-

ния сигнала Хата предложил следующие эмпирические формулы. В го-

родской местности в частотном диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффек-

тивной высоте антенны базовой станции h

BS,eff

= от 30 до 200 м имеем









 

 

dh,,ha

h,f,,L

BS,effMS

BS,eff

lglg556944

lg8313lg16265569

город50





;

(2.80)









80lg56170lg11 ,f,h,f,ha











(2.81)

где a(h

) – поправочный коэффициент зависящий от высоты антенны

подвижной станции и вычисляемый в диапазоне высот от 1 до 10 м.

Для крупного города он задается выражениями (в дБ):

   

МГцfдля,h,ha

MSMS

40011lg1,54298

 ,

(2.82)

   

МГцfдля,h,ha

MSMS

40097475lg11,23

 .

(2.83)

В пригородной местности потери при распространении сигнала мож-

но описать формулой

   

lg2

город5050

dBdB



























 .

(2.84)

В условиях открытой местности потери описываются выражением













9440lg3318lg784

город5050

,f,f,LL

dBdB

 .

(2.85)

Представленные выше модели распространения сигнала позволяют

оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой

и подвижной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы

распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше все-

го подходят для частот до 1,5 ГГц. Однако системы персональной связи

работают в диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц. Примеры таких систем – это

DCS 1800 и PCS 1900 – две версии системы GSM, функционирующие в

Европе и США соответственно. В связи с этим, для создания моделей рас-

пространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц в условиях,

характерных для систем PCS, были поставлены многочисленные экспери-

менты и проведено множество измерений. По причине большего затуха-

ния сигнала в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, тра-

диционно применяемым в сотовой телефонии, основное различие между

системой PCS и традиционной сотовой системой заключается в уменьше-

нии размера сот. Исследования новых моделей распространения проводи-

лись в рамках проекта Европейского Союза COST#231. В результате в

справочной литературе представлены, по крайней мере, две известные мо-

дели распространения, разработанные в рамках проектов COST:

 модель COST231-Хата;

 модель COST231-Уолфиш-Икегами.

2.5.5. Модель COST231-Хата

Могенсен (англ. Mogensen) с соавторами предложил расширить моде-

ли Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапа-

зоне использование упомянутых моделей приводит к недооценке затуха-

ния сигнала. Модель COST#231-Хата справедлива для несущих частот в

диапазоне от 1,5 до 2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до

200 м, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 м и расстоянию ме-

жду ними от 1 до 20 км. Модель позволяет оценивать затухание по фор-

муле













 

 

Cdh,,

hah,f,,L

BS,eff

MSBS,eff

















lglg556944

lg8213lg933346

(2.86)

где С – постоянная: для средних городов и пригородных районов с уме-

ренной растительностью С = 0 и для центров крупных городов С = 3.

Формально модели Окамуры, Хата и COST#231-Хата можно исполь-

зовать только для высоты антенны базовой станции, превышающей 30 м,

однако их применение возможно и для более низких высот при условии, что

соседние строения значительно ниже антенны.

Модель COST#231-Хата не подходит для оценки затухания сигнала при

расстояниях между подвижной и базовой станциями менее 1 км. В этом

случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой про-

исходит распространение сигнала. Эту модель также нельзя использовать

для оценки распространения сигнала по улицам с высокими строениями (по

так называемым уличным каньонам) [2].

2.5.6. Модель COST231-Уолфиш-Икегами

Модель COST#231-Уолфиш-Икегами (англ. Walfish-Ikegami) может

применяться в случаях, когда антенна базовой станции расположена как

выше, так и ниже линии уровня крыш городской застройки. В совокуп-

ность эмпирических факторов, учтенных расчетной формулой входят вы-

соты антенн базовой и подвижной станций, ширина улиц, расстояния ме-

жду зданиями, высота зданий и ориентация улиц относительно направле-

ния распространения сигнала.

В общих чертах формула, описывающая потери сигнала, состоит из

трех членов: потерь L

на распространение в свободном пространстве; по-

терь L

rts

на дифракцию и рассеяние волн на крышах зданий; потерь L

вызванных многократной дифракцией от рядов зданий.

Суммарные потери рассчитываются по формуле





msrtsS

LLLL





(2.87)

Данная модель широко используется Международным телекоммуни-

кационным союзом (ITU) в качестве стандартной модели для универсаль-

ной системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000. Ее можно

применять в следующих диапазонах параметров: 800 < f

< 2000 МГц;

4 < h

< 50 м; 1 < h

< 3 м; 0,02  d  5 км.

2.5.7. Примеры оценки потерь с использованием различных

моделей распространения сигнала

В завершение обзора моделей распространения сигнала рассмотрим

два взятых из [2] примера, которые иллюстрируют применение моделей

Хата и Ли для оценивания потерь сигнала, поступающего с базовой стан-

ции.

Пример 1.

Ослабление сигнала, излучаемого передатчиком мощностью 10 Вт,

измеренное на расстоянии d = 10 км, составляет 160 дБ.

Сравнить потери на распространение, рассчитанные по модели Хата, с

результатами измерений.

Высота антенны подвижной станции h

= 3 м. Антенна представляет со-

бой полуволновой вибратор.

Антенна базовой станции установлена на высоте 30 м в крупном городе.

Несущая частота излучаемого сигнала f

= 1000 МГц.

Согласно модели Хата для оценки потерь на распространение сигнала

получим













10lg30lg55694430lg82131000lg16265569



















,,ha.,,L

Значение a(h

) при заданных параметрах системы составит













69297437511lg23

,,,,ha

 дБ.

Таким образом,





151602235692412048785569

,,,,,,L











дБ,

что достаточно точно соответствует измеренному значению ослабления

сигнала.

Пример 2.

При помощи модели Ли оценить уровень сигнала, принимаемого под-

вижной станцией на расстоянии d = 2 км от базовой станции.

Среда распространения сигнала – пригородная местность или не-

большой город.

Эффективная высота антенны базовой станции h

BS,eff

= 30 м.

Коэффициент усиления антенны базовой станции G

= 7,7 дБи.

Несущая частота излучаемого сигнала f

= 1800 МГц.

Мощность излучаемого сигнала Р

= 1 Вт.

Высота антенны подвижной станции h

= 1,5 м.

Коэффициент усиления антенны подвижной станции G

= 2 дБд.

Для оценки уровня принимаемого сигнала из таблицы 2.3 выберем

параметры Р

= –54 дБм и  = 38,4. Для вычисления поправочного коэф-

фициента F

необходимо найти его компоненты F

(i = 1 … 5).

При вычислении коэффициентов F

и F

применяются коэффициенты

усиления антенн в линейной шкале, поэтому следует произвести следую-

щее преобразование: G

= 7,7 дБи эквивалентно G

= 5,9 в линейной шка-

ле, а G

= 2 дБд = (2 + 2,15) дБи = 4,15 дБи, что составляет 2,6 в линейной

шкале (0 дБд = 2,15 дБи).

В результате получим

371857062

Вт10

Вт1

м3

м51

м4830

м30

,,,

F 

















































 дБ.

Коэффициент вычисляется с учетом того, что для высоты антенны

подвижной станции менее 3 м, показатель степени  = 1.

Поскольку несущая частота превышает 450 МГц, показатель степени

n принимается равным 3. В итоге получаем искомую мощность прини-

маемого сигнала





873

дБ





дБм.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН ОБСЛУЖИВАНИЯ И ЧАСТОТНОЕ

ПЛАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

При выборе стандарта ССПС и построении зон обслуживания основ-

ной целью является обеспечение максимально возможной телекоммуни-

кационной нагрузки (телетрафика). Практическое развертывание системы

на местности предусматривает решение следующих задач:

 охват системой максимальной площади покрытия;

 качественное обслуживание возможно большего числа абонентов.

В зависимости от типа и назначения ССПС методика решения задачи

организации телетрафика будет различной. Однако основные принципы

построения являются общими для любой системы. Так, например, основу

трафика транкинговой мобильной системы составляет нагрузка, форми-

руемая совокупностью разговорных групп, обслуживаемых одним сайтом.

Для территориальной (сотовой) радиосистемы нагрузка создается сово-

купностью MS, обслуживаемых системой базовых станций BS. Таким об-

разом, зона обслуживания формируется как совокупность нескольких те-

лекоммуникационных ячеек (ТЯ), граничащих одна с другой, создавая

общую площадь покрытия.

3.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ЯЧЕЕК

Границы каждой соты определяются электромагнитным взаимодейст-

вием между BS и группой MS, обеспечивающим выполнение условия

связности (2.55). Качество обслуживания в мобильной системе связи

обеспечивается достаточным количеством каналов радиосвязи (рабочих

частот) и возможностью их быстрой замены при снижении надежности

радиосвязи в процессе движения MS. Однако, проектирование больших

зон обслуживания при ограниченном радиочастотном спектре, выделяе-

мом мобильной системе, возможно только при повторном (неоднократ-

ном) использовании одинаковых рабочих частот. Это обуславливает появ-

ление значительных уровней взаимных помех между радиостанциями.

Обеспечение связности в зоне обслуживания оказывается возможным

только при правильном пространственном разносе сот с повторяющимися

рабочими частотами [10,12].

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой вы-

ходной мощностью и ограниченным числом каналов связи, что позволяет

без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в

другой, удаленной на значительное расстояние ячейке. Теоретически та-

кие многоканальные передатчики можно использовать уже в соседней

ячейке, однако на практике зоны обслуживания ячеек могут перекрывать-

ся под воздействием различных факторов, в частности вследствие измене-

ния условий распространения радиоволн. Поэтому в реальных системах

мобильной связи в соседних ячейках используются различные частоты.

Существуют статистический и детерминированный способы фор-

мирования зон обслуживания [8].

Статистический способ основан на измерении основных статистиче-

ских характеристик распространения сигналов в системах связи. Детер-

минированный способ основан на измерении и расчете параметров распро-

странения сигнала для конкретного района. При практической реализации

статистического способа вся обслуживаемая территория делится на оди-

наковые по форме зоны, и с помощью статистической радиофизики опре-

деляются их предельно-допустимые размеры и расстояние до других зон,

в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влия-

ния.

Для оптимального разделения обслуживаемой территории на отдель-

ные ячейки, позволяющего добиться получения однородных (гомогенных)

участков без перекрытия и ли пропусков могут использоваться только три

геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник – рис. 3.1.

Рис. 3.1. Возможные способы формирования телекоммуникационных ячеек

ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ

Наиболее подходящей фигурой является правильный шестиугольник,

т. к. он позволяет обеспечить доступ практически ко всем участкам огра-

ниченной зоны обслуживания при помещении антенны с круговой диа-

граммой направленности в его центр. Структура получаемой зоны обслу-

живания напоминает пчелиные соты, отсюда и название системы связи –

сотовая.

При использовании статистического способа интервал между зона-

ми, в которых используются одинаковые рабочие каналы, как правило,

получается больше требуемого, необходимого для поддержания взаимных

помех на допустимом уровне.

При детерминированном способе тщательно измеряются и рассчиты-

ваются все необходимые параметры системы связи для определения ми-

нимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное

обслуживание абонентов. Кроме того, определяется место расположения

базовой станции с учетом рельефа местности, и рассматривается возмож-

ность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и

смежных центральных станций в момент наибольшей (пиковой) нагрузки

системы [1].

Группа сот с различными на-

борами часто получила название

кластера. Определяющим пара-

метром кластера является количе-

ство используемых в соседних

ячейках частот. Размерность кла-

стера может варьироваться от 3 до

19 – рис. 3.2.

Во всех случаях расположение

частот кластере должно допускать

простое каскадирование, т. е. фор-

мирование регулярной структуры.

Повторное использование час-

тот в несмежных ячейках является

основной идеей, на которой бази-

руется принцип сотовой связи, и

позволяет эффективно использо-

вать частотный спектр (частотный

ресурс системы). Первый способ организации повторного использования

частот, который применяется в аналоговых системах сотовой связи, на-

пример, в NMT-450/900, AMPS, TACS/ETACS, заключается в использова-

Рис. 3.1. Построение многоэлементных

кластеров:

а) 3-элементного; б) 4-элементного;

в) 7-элементного; г) 12-элементного;

д) 19-элементного

нии антенн базовых станций с круговой диаграммой направленности. При

этом предполагается, что по всем направлениям передается сигнал одина-

ковой мощности, что для абонентских станций (сотовых телефонов) экви-

валентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Минимально возможным для построения системы сотовой связи яв-

ляется 3-элементный кластер, в каждой ячейке которого можно использо-

вать одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе –

рис. 3.2. Однако в таком кластере ячейки с одинаковыми полосами часто

повторяются очень часто, что плохо для сокращения сокальных помех,

т. е. помех от станций системы, работающих на одних и тех же частотных

каналах, но в других ячейках. Следовательно, на практике более выгодно

использовать многоэлементные кластеры.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование

выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние , назы-

ваемое защитным интервалом – рис. 3.3. Смежные базовые станции, ис-

пользующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из C

станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m частотных

каналов с шириной полосы каждого F

, то общая ширина полосы F

, за-

нимаемая системой сотовой связи, составит [10,12]

mCFF



(3.1)

Т. о., величина C определяет

минимально возможное число кана-

лов в системе, поэтому ее называют

частотным параметром системы со-

товой связи или коэффициентом

повторения частот. Коэффициент C

не зависит от числа каналов в набо-

ре частот и увеличивается по мере

уменьшения радиуса ячейки. Сле-

довательно, уменьшение радиуса

ячеек создает возможность для уве-

личения повторяемости частот.

Шестиугольные ячейки позволяют минимизировать ширину необхо-

димого частотного диапазона, обеспечивая оптимальное соотношение ме-

жду величинами C и .

В общем случае, расстояние  между центрами ячеек, в которых ис-

пользуются одинаковые полосы частот, связано с числом ячеек N в кла-

стере следующим соотношением [13]:

Рис. 3.3. Защитный интервал

Nr 3 ;

(3.2)

Q 3



 ,

(3.3)

где r – радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного

шестиугольника); Q – коэффициент уменьшения сокальных помех.

Коэффициент уменьшения сокальных помех Q в зависимости от чис-

ла элементов в кластере N, для регулярных структур сети сотовой связи,

показанных выше, представлен в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Коэффициенты уменьшения сокальных помех

Количество сот в кластере 3 4 7 12 19

Коэффициент уменьшения сокальных помех

3,00

3,46

4,58

6,00

7,55

Размеры ячейки определяются радиусом r – радиусом окружности,

описанной около правильного шестиугольника. Этот радиус, в свою оче-

редь, определяет размеры защитного интервала между ячейками, в кото-

рых одни те же частоты могут использоваться повторно. Величина защит-

ного интервала  зависит также от допустимого уровня помех и условий

распространения радиоволн в зоне обслуживания.

Размер зоны обслуживания, выраженный через радиус ячейки r, оп-

ределяет также число абонентов N, способных одновременно вести пере-

говоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение

радиуса ячейки позволит не только повысить эффективность использова-

ния выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость систе-

мы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность прием-

ников базовых и подвижных станций, что, в свою очередь, улучшает ус-

ловия электромагнитной совместимости эксплуатирующихся средств со-

товой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех является использо-

вание направленных антенн с узкими диаграммами направленности. В

секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно

в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении со-

кращается до минимума. Деление на секторы (секторное дробление) по-

зволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Наиболее распростра-

нен способ использования 3-секторных антенн с шириной диаграммы на-

правленности 120

для каждой базовой станции и трех соседних базовых

станций с формированием ими девяти групп частот – рис. 3.4 а [10,12,13].