Принципы радио-покрытия зон обслуживания.

data-ad-format="link">

7.3. 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 площади (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 [7.1], 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.

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 Л и В (рис. 7.1) с базовыми станциями BTS^ и BTSfi, расположенными в центрах сот, представляющих собой окружности с радиусами RA и RB и равными максимальному радиусу соты Дтах.

Пример радиопокрытия зоны обслуживания в городских условияхЦентры сот А и В находятся на расстоянии D, при этом между этими сотами находятся другие соты, рабочие радиочастоты в которых отличаются от рабочей частоты сот А и В — fA = /в * fc-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 У) от BTS, изменяется по закону ~ 1/Rn (где R — расстояние от BTS до MS), а величина степенного коэффициента п — 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 hi 100 м) величина п ~ 4; для многолучевой модели распространения в условиях пригорода, лесных массивов, величина п обычно лежит в пределах 3 < п < 4.
 
Приближенное решение задачи.
 
1. Если точка находится на линии, соединяющей точки А и В, то средняя мощность радиосигнала, принимаемого в точке X от BTS^ - Р£ ~ 1/Rn, от BTSB - Р£ = 1 /(D - R)n.

Реально величина мощности принимаемого сигнала MS в точке X для системы базовых станций будет случайным процессом, содержащим быстро меняющуюся составляющую {распределенную по релеевскому закону) и медленно меняющуюся составляющую {распределенную по логарифмически нормальному закону). Показанные на рис. 7.1 базовые станции BTSA и BTSв ведут передачу на одних и тех же частотах fA = fB. В этом случае отношение среднего уровня сигнала к среднему уровню помех запишется в виде [7.1]:
 
                                                        ((S)/(I)) = [(D-R)/R]n,                                                      (7.1)
 
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 fA=fB = fi, отношение сигнал/помеха запишется в виде:
 
                                                        «£>/</» = l/[tfT(l/#;)],                                                   (7.2)
 
где суммирование идет в пределах от i = 1 до М, а величина М — общее число BTS в зоне обслуживания, Rt — расстояние от точки приема X до М-й базовой станции BTSW. Следует отметить, что выражение (7.2) справедливо при условии, что мощность сигнала, излучаемого BTS^, 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:
 
                                                          Nc-ic = (1/3) (D/R)2,                                                     (7.3)
 
а величина коэффициента повторного использования частот имеет вид:
 
                                                                       С = 1/Nc_k.                                                     (7.4)
 
При этом Nc_k могут принимать только дискретные значения: 3, 4, 7, 9, 12, 13, определяемые из выражения:
 
                                                          Nc-k = (k + I)2 — kl,                                                     (7.5)
 
где к и I — целые числа (например: при k = 1,1 = 1, С = 3, при к = 2,1 = 1, С = 7, и т.д).
 
Величину отношения D/R = q (коэффициент соканального повторения) обычно определяют из допустимых отношений сигнал/помеха S/I и характеристик системы связи. Действительные размеры зон обслуживания, а именно значения D, R, q (а значит и величина С), определяются на основе следующих факторов:
 
1) интенсивности предлагаемой нагрузки (трафика);
2) общего числа радиоканалов, выделенных для сотовой сети;
3) допустимой интенсивности отказов;
4) 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 переменной величиной. Поэтому возникает проблема согласования выбираемых размеров сот и изменяющегося трафика. Таким образом, при статистическом способе радиопокрытия зоны обслуживания сотовой системы связи должно быть выполнено условие:
 
                                                      ((D - R)/R)n =(q- If * (S/I) доп.                                                                   (7.6)
 
Детерминированный метод радиопокрытия зоны обслуживания
 
При детерминированном методе радиопокрытия зоны обслуживания базовые станции можно расположить так, чтобы минимизировать среднюю величину интервала использования радиоканала, то есть число сот на один кластер (Nc„k) = (1/3)(D/R)2mn, и одновременно достичь удовлетворительного обслуживания в пределах всей зоны обслуживания сотовой системы связи.
 
Для оптимального расположения базовых станций необходимо знать средний уровень радиосигнала, излучаемого с мест возможного расположения базовых станций в любой точке расположения мобильного объекта, вплоть до расстояний, дальше которых указанные радиосигналы уже не приводят к взаимным помехам. Информация об уровнях сигнала может быть получена в результате расчетов, измерений и/или прогнозирования. Области обслуживания, связанные с различными BTS, имеют различные формы и размеры. Оптимизация расположения сот и BTS в них приводит к минимизации числа BTS, требуемого для обслуживания определенного числа каналов в пределах заданной зоны обслуживания. В месте расположения BTS может быть задано несколько зон обслуживания за счет использования направленных антенн. Это обстоятельство дает дополнительную свободу выбора форм и размеров зон обслуживания и в некоторых случаях может приводить к уменьшению интервала повторного использования частот С. Прежде чем реализовать эффективное радиопокрытие территории детерминированным способом, следует произвести детальный учет необходимых определяющих факторов. Особое внимание должно быть уделено:
 
- выбору местоположения BTS;
- требуемому разносу частот между BTS;
- уточнению данных об измеренных или рассчитанных уровнях радиосигнала.
 
В зонах обслуживания с высокой плотностью размещения BTS, где разнос частот между BTS определяется межканальными помехами, а не ограничениями, связанными с шумом, возможно обслуживание пиковой нагрузки в пределах обычной соты обслуживаемой одной BTS с помощью радиоаппаратуры, расположенной на смежной BTS. Таким образом, детерминированный метод, в первом приближении, может дать оценку радиопокрытия определенным числом сот заданной территории с учетом условий распространения радиоволн и повторного использованием частот.
 
Результаты проектирования радиопокрытия заданной территории, полученные различными методами, должны уточняться путем измерений характеристик радиоканала на этапе оптимизации сотовой сети, что повышает точность и эффективность проектирования.
 
Численный пример расчета радиопокрытия зоны обслуживания
 
Постановка задачи. Пусть площадь зоны радиопокрытия Sz = 64609 км2 (рис. 7.2).
Пусть используется модель равномерного размещения макросот радиусами Rm2LX в пределах зоны радиопокрытия. Пусть в сотовой системе мобильной связи используется стандарт GSM, то есть приняты следующие основные характеристики данного стандарта: мощность излучения антенн BTS PBts ~ 55 Вт; пороговая чувствительность приемников MS PMS * -100 дБм (то есть Рм ~ 1013 Вт); максимальное количество каналов, организуемое в BTS, Nk= 20; количество каналов на несущую ТУул:=8; максимальное количество каналов связи 124 при ширине полосы канала связи П/ = 0,2 МГц и ширине полосы в диапазоне рабочих частот Птах = 25 МГц; вид модуляции GMSK при индексе ВТд — 0,3. Пусть допустимое отношение мощности сигнала к мощности соканальных помех (5//)доп ^ 20 дБ, а параметр распространения радиоволн для мобильной связи [7.1] лежит в пределах 3 < п < 4. Коэффициенты усиления антенн BTS и MS равны 0 дБ (то есть используются всенаправленные антенны). Затухания антенных фидеров не превышают 2,5 дБ. Зависимость коэффициента затухания при сквозном распространении электромагнитных волн в лесах составляет -10^ (где а « 0,2 дБ/м на частоте /~ 900 МГц, / — длина пути распространения, при этом значение а одинаково как для горизонтально, так и вертикально поляризованных радиоволн), то есть потери при распространении могут составлять ~ до 200 дБ при / = 1000 м. Пусть средняя высота поднятия антенн: для BTS — h\ = 72 м, а высота поднятия антенны мобильной станции над землей h2 = 1,5 м.

Рис. 7.2. Обслуживаемая оператором территория

Численный расчет радиопокрытия зоны обслуживания с учетом введенных допущений в постановке задачи.
1. Определим максимальный радиус соты по формуле:
Тогда величина максимального радиуса соты для открытой местности найдется по формуле (7.7): Дтах = 20 км.
При учете условий местности поправочный коэффициент затухания W = КГ^2, а величина максимального радиуса соты может меняться в следующих пределах: от условий прямой видимости (LOS) Ятах = 28 км до условий непрямой видимости (NLOS) Rmax «20 км.
 
2. Максимальная площадь макросот определится: SMC = тс Д2тах = Jt(20)2 = 1256 км2.
 
3. Число макросот в зоне обслуживания составит: NMs = Sz/SMs = 64600/1256 г 51.
 
4. Определим коэффициент соканального повторения q: [(D - Дтах)/ГтахГ = [(^тах) - 1]" = (* - 1)" * (S/I)ДОП,
то есть (q - 1)п 102, при п = 3 величина q = 5,64, при п - 3,5 - q = 4,72.
 
5. Число сот в кластере (то есть порядок кластера) найдем из формулы (7.3): Nck = (1/3) q2 = 4,722/3 s 7 сот/кластер.
 
6. Число кластеров в зоне обслуживания найдется: Nk = Nc/Nck = 51/7 s 7 кластеров.
 
Таким образом, параметры сотовой сети, полученные при расчетах, следующие:
 
- зона обслуживания делится на 7 кластеров, в каждом из которых находится по 7 идентичных сот;
- коэффициент повторного использования частот составляет: С = 1 /Nc/c = 1/7 = 0,143.
 
Далее возникает следующая проблема: распределить радиочастотные каналы в полученной зоне обслуживания.

 


Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ.
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ.
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.
       
7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
                 7.1. Цели и задачи проектирования.
                 7.2. Методы проектирования.

                 7.3. Принципы радио-покрытия зон обслуживания.
                 7.4. Распределение каналов в сотовой сети.
                 7.5. Расчет бюджета радиолиний в системах сотовой мобильной связи.
                 7.6. Емкость сотовой сети мобильной связи.
                 7.7. Рекомендации по сетевому планированию и оптимизации.
                 7.8. Измерения и мониторинг в радиочастотных системах.
                 7.9. Измерение параметров в радиочастотных системах.
                 7.10. Нормы на уровни электромагнитных излучений.
                 7.11. Математическая модель электромагнитного излучения мобильными и базовыми станциями.
                 7.12. Экспериментальные исследования уровней излучения антенн ВТS.

       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
      10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.