Расчет зон покрытия в системах подвижной радиосвязи с использованием моделей предсказания уровня принимаемого сигнала

Расчет зон покрытия в системах подвижной радиосвязи с использованием моделей предсказания уровня принимаемого сигнала

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет зон покрытия в системах подвижной радиосвязи с использованием моделей предсказания уровня принимаемого сигнала

Задание на курсовой проект

Таблица №1

Таблица №2

На основании приведенных выше характеристик радиоканала необходимо произвести следующие расчеты:

·        выбор и обоснование модели для прогнозирования уровня радиосигнала

·        расчет уровня радиосигнала в точке приема на основе выбранной модели

·        расчет отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум

·        расчет зоны покрытия

·        модель кластера

·        частотно-территориальный план

·        выбор оборудования базовой станции и используемых антенн.

Введение

Системы наземной подвижной связи - одни из наиболее быстро развивающихся в сфере телекоммуникаций. По росту числа пользователей эти системы можно сопоставить только с сетью Интернет. Подвижная связь имеет ряд принципиальных отличий от других телекоммуникационных систем, которые явились ответом на два «отягчающих» обстоятельства.

Во-первых, современные системы подвижной связи вынуждены функционировать в условиях острейшего дефицита частотного ресурса. Например, для сетей GSM-900 выделены полосы частот шириной 2х25=50 МГц. Для сравнения наземное телевидение занимает полосу более 400 МГц в близком частотном диапазоне.

Во-вторых, радиоканалы систем подвижной связи имеет, как правило, очень плохое качество. Они характеризуются глубокими замираниями сигнала, высоким уровнем помех и многолучевостью, которая в свою очередь вызывает межсимвольную интерференцию сигналов.

Современная подвижная связь стала возможной благодаря широчайшему использованию новейших научных достижений и технологий, прежде всего в области цифровой обработки сигналов, микропроцессорной техники, адаптивных систем управления.

Построение и эксплуатация различных типов систем и сетей подвижной радиосвязи требует знания принципов расчета зон покрытия и определения уровня сигнала в точке приема. Проектирование систем и сетей подвижной радиосвязи обязательно предусматривает этап размещения базовых станций и расчет зон покрытия для определения ожидаемого уровня сигнала в точке приема.

Целью курсового проекта является рассмотрение положений и принципов расчета линий радиосвязи, входящих в состав сотовых сухопутных подвижных систем связи.

1.      Выбор и обоснование модели для прогнозирования уровня радиосигнала

Существует ряд моделей для прогнозирования уровня радиосигнала в СПР: модель Окамуры, модель Хата, модель Ли и многие другие.

Для прогнозирования уровня радиосигнала согласно варианта 6 была выбрана модель Хата, т.к. она наиболее подходит к заданным параметрам. А именно: = 150…1500 МГц - частота радиосигнала; = 30…200 м - высота передающей антенны;  = 1…10 м - высота приемной антенны; = 1…20 км - расстояние между антеннами. [2]

Согласно этой модели вместо (1.2) представим уровень УММС (усредненную медианную мощность сигнала) как

радиосигнал излучение частотный прогнозирование

где - суммарное ослабление радиосигнала при распространении для модели Хата при статистическом учете параметров местности (а - выражено в децибелах, R - в километрах) [1]

Т.к. согласно варианта используется тип застройки В (с меньшей плотностью застройки и менее высокими зданиями), то будем применять в расчетах формулу для пригородной зоны: =А+Вlg -С

Здесь аппроксимирующие коэффициенты:

А=A (f, h₁, h₂)=69,55+26,16lg(f) - 13,82lg(h₁)-(h₂);

В=B(h₁)=[44,9-6,55lg(h₁)]

D=D(f)=4,78 (lgf)²-19,33lg(f)+40,94;

a(h₂) - параметр, учитывающий влияние высоты антенны МС.

Для крупных городов этот параметр слабо зависит от частоты, для средних и малых городов этот параметр зависит от частоты, однако используются две аппроксимирующие формулы:

       при f ≥ 200 МГц;

      при f ≥ 400 МГц;

для средних и малых городов этот параметр зависит от частоты;

 [1]

В расчетах будем использовать а(h2) для средних и малых городов.

2.      Расчет уровня радиосигнала в точке приема на основе выбранной модели

Согласно основному уравнению передачи, уровень мощности принимаемого сигнала:

p_с = p_о (f, r) + V (t),

где p_о (f, r) = p_П + q₁ + q₂ - (а_св + а₁ + а₂) - уровень мощности сигнала в точке приема при распространении в свободном пространстве;

p_П - уровень мощности передатчика БС;

q₁, q₂ - коэффициент усиления передающей и приемной антенны соответственно, выраженный в децибелах;

а₁, а₂ - потери в фидере передающей и приемной антенны соответственно;

а_св = (4 π r / λ)² - ослабление свободного пространства;

r - протяженность трассы;

λ - рабочая длина волны;

V (t) - множитель ослабления поля свободного пространства.

Согласно расчетам в программной среде MathCAD получаем следующее:

Вт

км

уровень мощности принимаемого сигнала

дБ

3.      Расчет шумов

Расчет тепловых шумов

Мощность тепловых шумов приемной установки, пересчитанных ко входу приемника,

где  - коэффициент шума приемника;  - постоянная Больцмана;  - температура входной цепи.

Уровень мощности теплового шума

Полагая, что

, дБ

 дБм / Гц при =290 К запишем для уровня мощности теплового шума при указанных численных значений:

Расчет индустриальных шумов

Это внешние помехи от систем зажигания автомобилей, промышленного оборудования, шумовые излучения высоковольтных линий и др. В рассматриваемых диапазонах частот преобладают шумы от систем зажигания автомобилей. Для шумов индустриального происхождения коэффициент шума  может быть найден по графикам на рис. 2.1. в зависимости от местности: для деловой части города (с высокой плотностью застройки) и высокими зданиями - график А; для жилой части (с меньшей плотностью застройки и менее высокими зданиями) - В; в сельской местности - С. Всем трем местностям соответствует одинаковый наклон графиков примерно 28 дБ/дек. Расстояние между соседними кривыми составляет 6 дБ.

Рис. 2.1 К оценке индустриальных шумов Рис. 2.2 К оценке шумов от ПАТ

Определим коэффициент шума, создаваемый системами зажигания (n_ТА), при условии что плотность автомобильного трафика ПАТ=500, для f= 800 МГц (определим по кривой 5)

n_ТА=13 дБ

Расчет шумов излучения

Создаются энергией, излучаемой БС и МС. Несмотря на то, что уровень этого излучения жестко ограничен и весьма мал, с этими шумами приходится считаться на тех территориях, где системы подвижной связи широко распространены. Возьмем n_Т3 = 2,5 дБ для БС и n_Т3 = 3,5 дБ для МС.

Сложение ТШ

Принимая во внимание, что ТШ от независимых источников суммируются «по мощности», запишем результирующий коэффициент шума:

 дБм

Расчет отношения сигнал-шум

.

На границе зоны покрытия должно выполняться условие

где  - радиус зоны покрытия; =18 дБ - допустимое значение отношения сигнал-шум, указанное в технических параметрах аппаратуры; = 5…10 дБ - энергетический запас.

Запишем минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия:

Подставив данное выражение в формулу  вычислим напряженность поля на границе зоны покрытия

Расчеты проделаем в программной среде MathCAD:

эффективная ширина шумовой полосы приемника

Исходные данные:

МГц

Приняв результирующий коэффициент шума n_Т  11 дБ, получим уровень мощности ТШ

Сначала положим  = 0. Минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия:

Следовательно, напряженность поля на границе зоны покрытия:

Предположим, что = 5 (энергетический запас), тогда минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия равен:

Следовательно, значение напряженности на границе зоны покрытия увеличится:

Расчет отношения сигнал-интерференция

При расчете интерференционных помех модель сети считается однородной. В такой модели все БС имеют одинаковые значения эквивалентной изотропной излучаемой мощности, антенны с круговой диаграммной направленности и одинаковыми высотами. Поляризация радиоволн и условия распространения на всей обслуживаемой территории приняты одинаковыми.

Рассматриваемые помехи попадают на вход приемника МС от БС соседних кластеров. На рис. 3.1. приведен фрагмент частотно - территориального плана (ЧТП), составленного на основе кластера с размерностью N=7. Цифрами 1…7 обозначены частотные группы присвоенные сотам. Рассматриваем воздействие сигнала и интерференционных помех на МС, расположенные в центральной соте. Помехи создают БС, обозначенные М1…М6.

Вместо рис. 2.3. воспользуемся упрощенным рис. 2.4., где местоположение БС - точка О, МС - точка А и местоположение мешающих станций М1…М6. [1]

Рис. 3.1 Фрагмент частотно-территориального плана

Рис. 3.2 Упрощенный фрагмент частотно-территориального план

Расстояние между узлами (соседними) БС:

Длины отрезков М1-О…М6-О равны d. Радиус внутренней окружности ОА - радиус соты R₀. Расстояние от точки А до МС с номером J обозначим R_J.

Вычислим их значения:

Мощности сигналов, приходящих на МС, представим в виде (1.3), приняв  для своего сигнала и  для J-го мешающего сигнала. Если энергетические параметры БС в сети одинаковы, то отношение медианной мощности J-го мешающего к медианной мощности своего сигнала

- число мешающих сигналов

коэф. затухания

медианальная мощность j-го сигнала

При нескольких мешающих сигналах на МС воздействует суммарная помеха, медианная мощность которой равна сумме медианных мощностей отдельных сигналов. Медианное отношение сигнал-интерференция:

4.      Построение частотно-территориаьного плана

Примем территорию населенного пункта за круг радиусом

 км

Среднее число пользователей АС на 1 км²:

 чел./км²

За основу частнотно-территориального планирования выберем кластер 7 сот.

Площадь покрытия одной БС равна 18,45 км, при условии что радиус покрытия одной базовой станции равен 2,45 км. Следовательно на территорию 900 км² потребуется 48 БС, а именно 7 кластеров.

Рис. 4.1. Модель кластера

5.      Выбор оборудования базовой станции и используемых антенн

Сегодня сотовая связь развивается гигантскими темпами. Операторы обгоняя конкурентов предлагают много различных услуг. В строительство сетей 2G и 3G вкладываются большие деньги. Естественно, что сотовые операторы хотят эти затраты, как то оптимизировать, снизить, т.к. эти сети разнородные и строительство ведётся в обоих направлениях. Huawei предложили свой вариант решения проблемы, разработали контроллер базовых станций BSC6900, он работает одновременно в двух режимах, как GSM так и UMTS. Так же была разработана Базовуя станцию Huawei DBS3900, которая тоже поддерживает двойной режим работы. Получается, что достаточно купить один контроллер и базовые станции DBS3900 и они будут обслуживать сеть GSM и UMTS (3G). Так же DBS3900 поддерживает плавный переход к сетям 4 поколения, LTE.

Максимальная выходная мощность данной базовой станции составляет 40 Вт

Рис. 5.1. Принципиальная схема Базовой станции DBS3900

Сама базовая станция DBS3900 состоит из трёх частей:

. BBU - это основная часть БС (Обрабатывает информацию)

. RRU - это передатчики TRx.

. Антенна (Сектор, сота).

Основные характеристики базовой станции DBS3900

Частотный диапазон

Характеристики антенны

·        Тип антенны       Панельная

·        Назначение антенны    Приемопередающая

Поддержка антенн Remote Electric Tilt (RET).

Использование антенн RET позволяет настраивать сетевое покрытие путём регулировки угла наклона антенн в автозале. При этом сэкономить затраты на эксплуатацию и обслуживание.

Поддержка антенн с двойной поляризацией, позволяет сократить число антенн в соте.

Поддержка протокола AISG1.1

Преимущества

·        Быстрое развёртывание сети

·        Раздельное использование BBU и RRU, компактный дизайн и распределенная установка позволяют сэкономить пространство на сайте и смонтировать BBU и RRU практически в любом месте.

·        Распределённая установка также обеспечивает удобство при транспортировке и быстрое развертывание сети.

·        Низкая стоимость

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен расчет энергетических характеристик в радиоканале БС-МС. Для расчета предлагалось насколько применяемых сегодня моделей предсказания характеристик радиосигнала. Для расчетов была выбрана модель Хата, так как она боле точно подходила под характеристики ТЗ. Был рассчитан уровень ожидаемой медианальной мощности радиосигнала при высоте подвеса антенны 90 м = 101,3 дБ.

Результирующий коэффициент шума, полученный в ходе расчета n_т=11 дБм.

Отношение сигнал-шум на входе приемника составляет -95,3 дБ. Отношение сигнал-интерференция составляет 18,8 дБ.

Для ЧТП для территории площадью 900 м² было рассчитано необходимое число БС - 48 (радиус покрытия одной базовой станции равен 2,45 км), объединенных в 7 кластеров.

Литература

радиосигнал излучение частотный прогнозирование

1.   Доцент Стрижаков В.П., к.т.н., доцент Барабанова Е.А., к.т.н., доцент Мальцева Н.С. - Методическое руководство по выполнению курсового проекта «Расчет зон покрытия в системах подвижной радиосвязи с использованием моделей предсказания уровня принимаемого сигнала» для студентов, обучающихся по направлению 210400 «Телекоммуникации» / АГТУ. Астрахань, 2010. - 48 с.

.     Пищин О.Н., к.т.н., доцент кафедры «Связь» - Справочник по расчётам в системах подвижной радиосвязи, - Астрахань - 2010. - 112 с.

.     http://seoofis.ru/bazovaya-stanciya-huawei-dbs3900/ - Статья «Что такое Базовая станция Huawei DBS3900»

4.      http://www.mforum.ru/093185.htm - Статья «Huawei Technologies DBS3900»