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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.4. Варианты построения многосекторных ячеек:

а) 3-секторных с шириной диаграммы направленности 120

;

б) 6-секторных с шириной диаграммы направленности 60

Однако самую высокую эффективность использования выделенной

для системы полосы частот и, следовательно, наибольшее число абонен-

тов сети, обслуживаемых в этой полосе, имеет способ использования 6-

секторных антенн с диаграммами направленности 60 и 2-х базовых стан-

ций, разработанный известной в сфере коммуникационных технологий

фирмой Motorola (США) – рис. 3.4 б. При реализации этого способа каж-

дая частота в пределах кластера, состоящего из 4-х ячеек, используется

дважды, при этом каждая базовая станция может работать на 12-ти часто-

тах. В целом, секторная организация систем передачи позволяет увели-

чить емкость системы (число абонентов) приблизительно на 40 % при той

же самой помехоустойчивости.

Для того, чтобы понять принцип организации и частотного планиро-

вания систем сотовой связи целесообразно рассмотреть описанные выше

вопросы более подробно, использую упрощенный подход планирования

так называемой классической системы сотовой связи.

3.2. ТИПОВЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН

ОБСЛУЖИВАНИЯ

Как уже отмечалось выше, при оценочном проектировании систем

мобильной связи используется два основных способа формирования теле-

коммуникационных ячеек: статистический и детерминированный.

а) б)

3.2.1. Статистический способ формирования сот

Статистический способ основан на определении площадей сот и рас-

стояний между базовыми станциями BS путем использования статистиче-

ских данных среды распространения радиоволн, параметров каналов и

электрических характеристик используемой аппаратуры.

Методика статистического способа разноса ячеек с повторяющимися

рабочими частотами состоит в следующем. Пусть ячейка обслуживается

базовой станцией BS

, a другие базовые станции BS

с повторяющимися

рабочими частотами удалены от BS

на расстояние (R+r) – рис. 3.5.

Рис. 3.5. Пространственный разнос телекоммуникационных ячеек

с повторяющимися рабочими частотами

Расстояние R является радиусом зоны помех (зоны мешания), созда-

ваемой ближайшей из группы мешающих базовых станций, а расстояние r

– радиусом зоны покрытия, создаваемой BS

. Радиусы зон электромагнит-

ного взаимодействия R и r определяются из уравнения радиолинии мо-

бильной системы (2.56). Для удобства анализа выразим уравнение радио-

линии через напряженности поля сигнала и помех [8]:



















ikijA

EEξEνξE

швнвз

(3.4)

где E

– напряженность поля сигнала в точке A; Е

вз

– напряженность поля

взаимных помех в точке A; E

вн

– напряженность поля внешних помех в

точке A; Е

– напряженность поля внутренних помех (шумов); 

, 

– ко-

эффициенты потерь и замираний сигнала и помех у трассы радиосвязи.

Зона мешания

Зона трафика

При определении площади зоны покрытия – радиуса r – учитываются

технические характеристики аппаратуры мобильной связи и особенности

местности, на которой развертывается телекоммуникационных ячеек. Ме-

стность определяет параметры подстилающей поверхности (земли) трасс

радиосвязи и определяет местоположение базовых станций.

Для среднеевропейских широт параметры земли характеризуются па-

раметрами влажной почвы: σ

= (0,1...0,01), ε

= (20...30) См/м [8].

3.2.2. Среднепересеченная местность

При развертывании системы в условиях среднепересеченной местно-

сти считается, что излучающие антенны базовых и мобильных станций

являются низкоподнятыми (D

= 10, h

= 30...50 м, D

= 1,5, h

 1,5 м).

Экранирующими объектами на трассах радиосвязи являются естественные

возвышения и холмы. Интерференционные замирания сигналов в этих ус-

ловиях выражены слабо (Q

>> 10, 

ИЗ

 1). Для большинства мобильных

систем характерно использование направленных антенн базовых станций

и ненаправленных антенн мобильных станций. С учетом вышеизложенно-

го выражение напряженности поля полезного сигнала в точке A, на грани-

це зоны покрытия BS

записывается в виде [8]:

BSBS

GPρ





;

(3.5)







tg1

tg12

)(

(3.6)

Решение этого выражения относительно параметра r имеет вид:

BSBS

GPρ



 .

(3.7)

Минимальное значение напряженности поля E

, при котором еще

обеспечивается связность, должно учитывать не только реальную чувст-

вительность радиоприемника (минимальную ЭДС сигнала на входе при-

емного тракта, при которой оконечное устройство работает устойчиво), но

и шумы антенны. Отсюда, минимальное значение E

определяется как

















NKtFkT

PА

пр

шэф0

1411

(3.8)

где h

– действующая высота приемной антенны.

Оценка зоны мешания, создаваемой ближайшей базовой станцией

, проводится по такой же методике. При этом решается уравнение от-

носительно радиуса R зоны мешания:

BSBS







 .

(3.9)

где Е

/ – напряженность поля взаимных помех, создаваемая ближайшей

мешающей базовой станцией BS

При оценке суммарной напряженности поля помех в точке A учиты-

вается воздействие всех ближайших базовых станций, расположенных

симметрично относительно BS

3.2.3. Сильнопересеченная местность

Более сложная задача обеспечения связности решается при организа-

ции зоны обслуживания в условиях сильнопересеченной местности (круп-

ные города с интенсивной многоэтажной застройкой). Обеспечение связ-

ности требует увеличения энергетики сигналов в местах приема как для

MS, движущихся по улицам, так и MS, находящихся в зданиях, особенно

на первых этажах и подвальных помещениях.

Дополнительными данными для формирования зоны обслуживания в

условиях города являются:

 средняя ширина улиц города – S

ул

;

 средняя высота застройки – h

ср

;

 скорость движения абонента с MS – V.

При многоэтажной застройке важное значение имеет высота поднятия

антенн базовых станций. Напряженность поля сигнала в точке A на рас-

стоянии r, создаваемого передатчиком BS

с учетом особенностей инфра-

структуры города, определяется модифицированной формулой Введен-

ского [8]:



BSBS

;

(3.10)









 0190

;

(3.11)

ср

hhΔh





(3.12)

100

120

140

160

180

200

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Рис. 3.6. Зависимость множителя

ослабления поля сигнала



h/0,5S

УЛ

















ул

50 S,

fF .

(3.13)

где 

– коэффициент потерь в земле; h – высота поднятия антенны ба-

зовой станции BS

над средним уровнем застройки; F – множитель ослаб-

ления поля сигнала, определяемый инфраструктурой города – рис. 3.6.

Коэффициенты дифракционных

и интерференционных замираний

сигнала в условиях крупного города

существенно отличаются от таких

же показателей для слабопересечен-

ной местности. Это обусловлено

близким расположением отражаю-

щих и экранирующих объектов на

трассах радиосвязи, приводящим к

скачкообразному изменению дис-

персии колебаний уровней сигнала.

Для практических расчетов в

условиях города используется пара-

метр E

, определяющий суммарное

отклонение напряженности поля при совместном воздействии разнород-

ных замираний. Параметр E

определяется на основе статистических ме-

тодов для различной надежности установления связи, измеряемой в про-

центах, при размещении MS на улицах города.

Дополнительное ослабление поля при его проникновении внутрь зда-

ний  (дБ) определяет затухание сигнала в зависимости от этажного ме-

стоположения MS для различных вариантов надежности установления

связи (%). При изменении уровня сигнала на улицах города считается, что

параметр  = 0. Таким образом, напряженность поля сигнала в точке A,

создаваемого передатчиком BS

и измеряемого в единицах дБмкВ/м, с

учетом особенностей инфраструктуры города, записывается в виде [8]:

 























EhF

Elg

BSBS

0190

lg2020

(3.14)

Определение характеристик распространения сигнала внутри зданий

не менее важно, особенно при разработке систем бесшнуровой телефонии с

базовыми станциями, расположенными внутри помещений, и беспровод-

ных локальных вычислительных сетей. В случае каналов связи внутри

помещений, расстояние между передатчиком и приемником намного

меньше. Это обусловлено не только геометрическими параметрами здания,

но также низкой мощностью передатчика и сильным ослаблением сигнала

внутренними стенами и мебелью. Именно эти явления оказывают влияние

на длительность импульсного отклика канала, поэтому каналы внутри по-

мещений характеризуются намного меньшим временным разбросом задерж-

ки, чем рассмотренные типовые каналы снаружи зданий. Распространение

сигнала в зданиях с небольшим содержанием металла и не очень большим

количеством толстых стен характеризуется малым среднеквадратическим

разбросом задержки (как правило, от 30 до 60 нс). Большие здания с множе-

ством металлических элементов и большими свободными пространствами

имеют среднеквадратический разброс задержки порядка 300 нс. Такой дол-

гий импульсный отклик канала определяет верхний предел скорости переда-

чи данных или предполагает применение структур приемников, способных

использовать канал, обладающий подобными свойствами. С импульсным

откликом канала тесно связан профиль задержки мощности. Измерения в

диапазоне 1800 МГц, проводившиеся в Университете г. Лунда (Швеция),

показали, что хотя конкретная форма профиля зависимости мощности от за-

держки зависит от объектов окружающей среды, средний профиль потерь в

среде с отражениями от случайно расположенных объектов имеет четкие за-

кономерности. Он хорошо аппроксимируется либо степенной функцией (это

говорит о том, что снижение мощности носит логарифмический характер в

логарифмической же шкале) либо экспоненциальной функцией (это значит,

что ослабление линейно в логарифмической шкале) [1,2].

В свободном пространстве значение уровня мощности как функции за-

держки хорошо аппроксимируется степенной функцией, что обусловлено

сильным влиянием прямой видимости. Канал внутри помещения может ме-

няться во времени. Изменение свойств канала во времени может быть обу-

словлено перемещением подвижного терминала, изменением ориентации

направленной (неизотропной) антенны, а также перемещением отражающих

объектов, таких, как люди, офисная мебель или оборудование. Анализ мно-

жества экспериментальных данных говорит о том, что потери на распро-

странение сигнала внутри помещений можно оценить по формуле [2]

   

















 X

ndLdL

lg10 .

(3.15)

где X



– гауссова случайная переменная с дисперсией 

Эта формула аналогична логарифмически нормальной модели затене-

ния. Измеренные параметры n и  для конкретных несущих, применяемых в

бесшнуровой телефонии и РСS-системах, сведены в табл. 3.2. Они характе-

ризуют различные типы стен и условия распространения в различных здани-

ях. Модель расчета потерь на распространение сигнала внутри помещений,

описываемая формулой (3.15), называется моделью с одним наклоном (англ.

ISM – one-slope model), поскольку предполагает линейную зависимость по-

терь, выраженных в децибелах, от логарифма расстояния [2].

Таблица 3.2

Значение показателей для расчета потерь на распространение

Здание Частота, МГц

, дБ

Розничный магазин 914 2,2 8,7

Бакалейный магазин 914 1,8 5,2

Офис, толстые стены 1500 3,0 7,0

Офис, тонкие стены 900 2,4 9,6

Офис, тонкие стены 1900 2,6 14,1

Предприятие. Линия прямой видимости (LOS)

Текстильное/химическое 1300 2,0 3,0

Текстильное/химическое 4000 2,1 7,0

Бумаго/зернохранилище 1300 1,8 6,0

Металлургическое 1300 1,6 5,8

Дома в пригороде: из дома на улицу 900 3,0 7,0

Предприятие. Интервал с одним препятствием(OВS)

Текстильное/химическое 4000 2,1 9,7

Металлургическое 1300 3,3 6,8

Модель со многими стенами (англ. multi-wall model) учитывает не толь-

ко потери в свободном пространстве, но также и потери на проникновение

сигнала через стены и перекрытия, лежащие на линии прямой видимости

между передатчиком и приемником. Было обнаружено, что потери при про-

хождении через некоторое число перекрытий нелинейно зависят от количе-

ства последних. Для учета этого фактора введен эмпирический коэффициент

b, что позволяет описать потери на распространение выражением

iw,iw,CS

LkLkLLL























(3.16)

где L

– потери в свободном пространстве; L

– постоянные потери;

w,i

– количество стен i-го типа, через которые проходит сигнал; k

– коли-

чество преодолеваемых перекрытий; L

w,i

– потери на прохождение через

стену i-го типа; L

– потери на прохождение на соседний этаж; I – количе-

ство типов стен (обычно I = 2 для учета тонких и толстых стен).

Третья, очень простая модель, называется моделью линейного ослабле-

ния (англ. linear attenuation model). В ее основе лежит предположение о том,

что потери (дБ) линейно зависят от расстояния (м):









ddLLdL







(3.17)

где  – коэффициент ослабления.

Беспроводные ЛВС реализуются в диапазонах частот выше 1800 МГц.

Для этого выделены диапазоны 2,5; 5; 60 ГГц, а с недавнего времени –

17 ГГц. Первое, что необходимо сделать при разработке системы с новым

частотным диапазоном – определить свойства канала. Как правило, произ-

водится множество измерений или применяется метод определения траекто-

рии луча (англ. ray tracing), позволяющий имитировать распространение

сигнала в конкретном здании. При помощи этих методов определяются ста-

тистические свойства конкретного канала внутри помещения, что позволяет

построить модель канала, используемую при разработке как передатчика,

так и приемника.

3.2.4. Детерминированный способ

Детерминированный способ формирования зон обслуживания ис-

пользует результаты инструментальных измерений уровней сигналов и

помех в условиях изменяющегося рельефа местности и различных вариан-

тов размещения базовых станций. При этом уточняется конфигурация

ячеек, выявляются теневые участки и границы зон покрытия, варьируются

различные типы направленных антенн базовых станций для устранения

теневых зон. Детерминированный способ приводит к существенному ус-

ложнению мозаичной картины зоны обслуживания, поскольку формы

коммуникационных ячеек могут значительно отличаться от расчетных и

иметь различные размеры. Наибольший эффект от применения детерми-

нированного способа разноса достигается при современных методах авто-

матического измерения уровней путем анализа измерительного сигнала

(пилот-тона), излучаемого базовой станцией и принимаемого мобильной

измерительной станцией. Результаты измерений уровней сигналов в ха-

рактерных точках зоны обслуживания запоминаются в памяти персональ-

ного компьютера, с целью создания банка данных, используемого при

уточнении конфигурации телекоммуникационных ячеек. Этот же способ

используется, например, в сотовой системе стандарта NMT-450 в дина-

мике работы, когда выбор наилучшей базовой станции по условию связ-

ности осуществляется путем сравнения результатов измерений несколь-

ких базовых станций, принимающих измерительный сигнал от одной кон-

тролируемой мобильной станции. Детерминированный способ позволяет

минимизировать количество ячеек в зоне обслуживания и наилучшим об-

разом разносить ячейки с повторяющимися рабочими частотами. Детер-

минированный способ наиболее целесообразно применять в дополнение к

статистическому с целью уточнения формы мозаики [8].

3.3. УПРОШЕННОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Как уже отмечалось выше область покрытия одной базовой станции

системы сотовой связи аппроксимируется шестиугольником. Шести-

угольники лучше всего аппроксимируют круговую форму зоны радиопо-

крытия базовой станции на ровной местности без препятствий, а края

шестиугольников хорошо аппроксимируют границы между сотами рав-

ных размеров. На практике область покрытия базовой станции не обладает

правильной круговой формой, поскольку она зависит от структуры мест-

ности и препятствий – зданий, деревьев и т. д. Разделение области покры-

тия системы на соты равного размера невозможно и по техническим при-

чинам. При размещении базовых станций необходимо учитывать множе-

ство факторов, таких как доступ к подходящим участкам местности и воз-

можность использования естественных элементов местности – башни, вы-

сокие трубы и строения. Такие элементы не часто располагаются в цен-

трах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представ-

ляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных сис-

темах проводятся полевые измерения при помощи специализированного

оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на

основе обработки данных цифровой карты местности сложным специали-

зированным программным обеспечением, которое имитирует распростра-

нение электромагнитных волн на цифровой модели местности. Один из

подходов к моделированию распространения электромагнитных волн за-

ключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых лучей,

которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях местно-

сти с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот

подход, который называют методом трассирования лучей (англ. ray trac-

ing method), требует точных данных об области покрытия и больших вы-

числительных ресурсов. Пакеты профессионального программного обес-

печения, применяемые для моделирования распространения волн и проек-

тирования сот, используют более сложные модели распространения, чем

рассмотренная выше. По ограниченному количеству результатов измере-

ний можно калибровать используемые в программном обеспечении моде-

ли распространения сигналов, что позволяет получать более точные

результаты [2].

Как уже отмечалось выше, ключевой принцип работы сотовой систе-

мы заключается в многократном использовании одних и тех же частотных

каналов в различных сотах, расположенных в зоне покрытия системы соот-

ветствующим образом. Группа из N сот, использующая все доступные час-

тоты несущих, исключая при этом их повторное использование, называется

сотовым кластером (англ. Се11 cluster). Для анализа размера и особенностей

кластера рассмотрим геометрические свойства набора шестиугольников,

изображенных на рис. 3.7.

Пусть радиус окружности,

описанной вокруг каждого шести-

угольника, равен r. Очевидно, что r

– это также и расстояние от центра

шестиугольника до его вершины.

Если вспомнить свойства равносто-

роннего треугольника со стороной

r, то легко доказать, что расстояние

между двумя соседними шести-

угольниками равно r3 . Примем

его за единицу длины. В системе ко-

ординат с углом между осями коор-

динат, равным 60, расстояние от

центра любого шестиугольника до

начала координат составляет

3 jijirR  ,

(3.18)

где i и j – координаты центра рассматриваемого шестиугольника, выра-

женные в принятых единицах длины, равных r3 .



Рис. 3.7. Разделение зоны

радиопокрытия на соты