Расчет построения сотовой сети в стандарте GSM-1800

ВВЕДЕНИЕ

Сотовая связь, сеть подвижной связи - один из видов мобильной радиосвязи <#"669816.files/image001.jpg">

Рисунок 1.-Структурная схема основных элементов сети GSM.

Система GSM состоит из трёх основных подсистем:

§   Подсистема базовых станций <#"669816.files/image002.gif"> (1)

М_сот= Абонентов

Определяем число сот в городе:

_сот=(2)

где М_сети-число абонентов сети_сот==1199 сот

Площадь соты вычислим по формуле:

_сот=(3)

где S_сети-площадь зоны обслуживания_сот==0,25 км²

Радиус соты в виде правильного шестиугольника (Рис.2):

R (4)

причем R - максимальное удаление мобильной станции от базовой станции в соте.

Рисунок 2. - Шестиугольная сота с обозначенным радиусом.

==0,62км

Для того, чтобы расходы на обслуживание сот и развертывание были меньше, радиус соты должен быть не менее 0,6-0,8км. Полученное значение 0,62 соответствует этому критерию.

Так как используется 1 частотный канал, состоящий из 8 физических, соответственно 1 канал является каналом управления, а остальные 7 - каналы трафика.

Таблица 2.-Результаты расчетов.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЛАНСА МОЩНОСТЕЙ

На данном этапе выполнения работы следует обеспечить баланс мощностей в соте радиуса R для сети, выбранной по результатам предыдущего этапа.

Уравнения баланса мощностей составляют на основе учета всех особенностей прохождения сигнала на трассе согласно рис. 3.

Рисунок 3. - Прохождение сигнала на трассе

Расчеты трасс сетей подвижной связи ведут с использованием логарифмов потерь на трассах, в фидерах, комбайнерах и логарифмов коэффициентов усиления антенн и дополнительных усилителей. При этом мощности на выходе передатчика и на входе приемника выражают в децибелах на милливатт (дБм) согласно формуле 5.

Р, дБм=10lgР, мВт (5)

Уравнение баланса мощностей в направлении вверх (АС => БС):

БС = PoutАС-LfAC+GaАС-Lp+GaБС+GdБС-LfБС. (6)

Уравнение баланса мощностей в направлении вниз (БС => АС):

АС = PoutБС-LfБC+GaБС-Lc-Lp+GaАС-LfАС. (7)

В уравнениях (6) и (7) все коэффициенты усиления и ослабления выражены в децибелах, а мощности - в децибелах на милливатт.БС и PinAC - мощности на входе приемников БС и АС.БС и PoutAC - мощности на выходе передатчиков БС и АС.БС и GaАС - коэффициенты усиления антенн БС и АС.БС и LfАС - потери в фидерах БС и АС.- потери в комбайнере.- потери на трассе.БС - выигрыш за счет разнесенного приема сигналов на БС (3-4 дБ).

При расчетах можно использовать следующие параметры абонентских и базовых GSM станций.

В абонентских станциях GSM-1800 максимальная выходная мощность передатчиков PoutAC = 1 Вт на 1800 МГц. Минимальная чувствительность приемников PinAC = -104 дБм.

Чувствительность приемников базовых станций при наличии дополнительного малошумящего усилителя ТМА (см. рис. 2) на входе приемного тракта PinБС = -111 дБм, а без него -106 дБм. Что касается мощностей передатчиков БС, то их стандартные значения у разных производителей лежат в пределах от 28 до 50 Вт (хотя есть и маломощные станции мощностью 2 Вт).

При проверке баланса мощностей вверх [уравнение (6)] можно принять Lf АС = 0, GaАС = 0, GaБС = 15-17 дБ, LfБС = 2 дБ, GdBTS = 3 дБ (используем разнесенный прием).

При проверке баланса мощностей вниз [уравнение (7)] можно принять Lf БС = 2 дБ, GaБС = 15-17 дБ, LC = 0.

Найденные величины PinAC и PinБС должны превышать чувствительность приемников мобильной станции - 104 дБв и базовой станции - 111 дБм. Если они оказываются меньше, то следует попробовать увеличить высоту подвеса антенны БС или уменьшить радиус соты.

.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ТРАССЕ

Потери на трассе определяем по модели Окумура-Хата. Они зависят от расстояния R, рабочей частоты F, высоты подвеса антенн базовой станции НБС и абонентской станции НАС Данный метод основан на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяет рассчитать средние потери для различных типов местности.

В диапазоне 1800 МГц и выше расчеты ведут на модели COST 231 Хата [COST 231 TD (90) 119]. Условия применимости модели: F = 1500-2000 МГц; Н_БС = 30-200 м; Н_АС = 1-10 м.

Рассчитаем средние (медианные) потери на трассе L_Г:

_Г=48,55+35,4lgF13,82lgH_БС(1,1lgF0,7)H_АС+(44,96,55lgH_БС)lgR (8)

где Н_БС - эффективная высота подъема антенны базовой станции, м; Н_АС - высота антенны подвижной станции над землей, м; R - расстояние между передатчиком и приемником, км; F - частота сигнала, МГц.

Суммарные потери на трассе:

_P=L_Г+∆Pσ+L_ДОП (9)

Средние (медианные) потери на трассе вниз (средняя частота поддиапазона вниз БС => АС: 1842 МГц):_Г=48,55+35,4lg1842 - 13,82lg100 - (1,1lg1842-0,7)5 + (44,9-6,55lg100) lg0,62=115,82

Необходимый запас мощности сигнала для его уверенного приема на 90% площади с вероятностью 75% ∆Pσ = 0,68σ, ∆Pσ = 0,68 8 = 5,6 дБм, где σ = 8 дБ - среднеквадратичное отклонение сигнала из-за флуктуации в точке приема. Кроме того, учтем дополнительные потери в здании L_ДОП = 12 дБ. Итак, суммарные потери на трассе:_P=115,82+5,6+12=133,42

Теперь по формуле (7) рассчитаем мощность сигнала на входе приемника АС, если мощность передатчика БС составляет 28 Вт (44,5 дБм):АС=44,5-2+15-0-133,42+0-0=-75,92

Аналогично по формуле (6) проверяем баланс мощностей на трассе вверх. Средняя частота поддиапазона вверх АС => БС: 1744 МГц. При тех же Н_БС и Н_АС средние потери на трассе Lг, согласно модели COST 231, составляют 114,93 дБ, т. е. практически не отличаются от потерь на трассе вниз. При тех же ∆Pσ=5,6 дБм и потерях в здании L_ДОП = 12 дБ при мощности передатчика АС 1 Вт получаем:БС=30-0+0-132,53+15+3-2=-86,53

Найденные величины PinAC и PinБС превышают чувствительность приемников мобильной станции -104 дБв и базовой станции - 111 дБм.

Таблица 3.-Результаты расчетов.

.4 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

В сетях сотовой связи наибольшее распространение получили источники бесперебойного питания (ИБП) переменного тока. Организация бесперебойного питания объекта подразумевает возможность его переключения при неполадках в электросети на альтернативный источник энергии. В ИБП любого типа функции такого источника выполняют аккумуляторные батареи.

Аккумуляторы являются вторичными элементами питания или, как их еще называют, химическими источниками тока второго типа. Аккумуляторные батареи функционируют в двух основных режимах: разряда и заряда. Установленные в ИБП переменного тока батареи находятся в одном из трех состояний - дежурном, аварийном и поставарийном. Поскольку аварии в сети происходят все-таки не столь часто, большую часть срока эксплуатации батарея функционирует в дежурном, или буферном, режиме постоянного подзаряда. Аварийные режимы (питание нагрузки от батареи) в телекоммуникациях занимают сравнительно небольшое время. Поставарийный - это автоматический режим заряда разряженной батареи.

Любая АБ характеризуется взаимосвязанной системой параметров, базовыми из которых являются емкость и номинальное напряжение. Выбор емкости АБ обусловлен типом нагрузки, которую она будет поддерживать в течение заданного времени при определенных режимах разряда. Для любого телекоммуникационного объекта определяющими являются требования по энергоснабжению: время работы, ток разряда, мощность. Требования по емкости определяются на основании этих характеристик.

Выбор батареи во многом зависит от качества сети: одни батареи лучше работают в буферном режиме, другие рассчитаны на циклическое применение. Чем глубже разряжается батарея, тем меньше циклов заряда/разряда она обеспечивает. Например, для линий связи в сельской местности более важен параметр количества циклов заряда/разряда, которые может выдержать аккумулятор. В этих сетях качество электроснабжения приводит к частым и длительным (более часа) отключениям выпрямительных устройств с переходом нагрузки на питание от аккумуляторной установки. В таком случае целесообразнее использовать гелевые аккумуляторы, так как ресурс их работы в режиме циклирования выше, чем у других аккумуляторов.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Основные области применения:

непрерывное электропитание;

телекоммуникация;

пожарное освещение;

пожарная тревога и системы обеспечения безопасности.

Отличительные особенности:

дешевизна и простота производства - по стоимости 1 кВт·ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми; 14

малый саморазряд - самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов;

низкие требования по обслуживанию - отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;

допустимы высокие токи разряда.

низкая энергетическая плотность - большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда (200-300);

кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

при неправильном заряде возможен перегрев.

Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

Производители ИБП всегда указывают полную мощность, выраженную в вольт-амперах, следовательно, необходимо перевести активную мощность оборудования в полную. Активная мощность вычисляется по формуле (10):

_ИБП>Pmax/PF (10)

где Р_ИБП - требуемая мощность источника бесперебойного питания базовой станции;(Power Factor) - коэффициент мощности, который в данной курсовой работе принимается равным 0,7;- максимальная потребляемая мощность.

Максимальная потребляемая мощность для базовых станций сетей GSM 60 Вт. Необходимо также учесть максимальную потребляемую мощность охранно-пожарной сигнализации - 900 Вт и системы управления микроклиматом - 3000 Вт.=60+900+3000=3960Вт_ИБП>3960/0,7=5658Вт

Для работы в автономном режиме ИБП базовой станции комплектуется четырьмя батареями. Необходимо рассчитать максимальное время автономной работы при заданной нагрузке:

=(60∙E∙U)/P (11)

где t - максимальное время автономной работы, мин;

Е - ёмкость батареи;=24В - суммарное напряжение батарей в ИБП;

Р - расчётная мощность нагрузки.=60∙2000∙24/5658=510мин.

.5 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СЕТИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Одной из важнейших задач при проектировании сетей сотовой связи является разработка устройств и узлов, обеспечивающих выполнение всех возложенных на них функций в течение длительного срока службы оборудования. Решение этой проблемы возможно только при комплексном решении вопросов надежности на всех стадиях проектирования и эксплуатации

Надежность - это свойство системы обеспечивать нормальное выполнение заданной функции, обеспечивать первоначальные технические характеристики в течение определенного времени в заданных пределах допуска.

Надежность характеризуется:

безотказностью;

ремонтопригодностью;

долговечностью.

Сбой в работе сети сотовой связи может быть вызван различными причинами: обрывом линий связи, выходом из строя оборудования и некоторыми другими. Однако для пользователей услуг не имеет значения, вследствие чего пропадает связь.

В рамках соглашения о качестве обслуживания абоненту должен быть гарантирован определенный, достаточно большой промежуток времени, в течение которого показатели качества обслуживания не будут ниже заданных.

Простои, вызванные сбоями в работе сети, могут сопровождаться огромными потерями прибыли. Таким образом, актуальными являются вопросы сокращения времени простоя, оценка потерь, вызванных простоями, и оценка затрат на минимизацию этих потерь.

Для решения поставленных задач возникает необходимость в количественной оценке надежности. С этой целью в теории надежности вводятся количественные характеристики и устанавливается связь между ними, разрабатываются методы, позволяющие анализировать физические причины отказов и прогнозировать надежность.

Время наработки на отказ Тн и среднее время восстановления после сбоя Тв являются основными параметрами, которые следует учитывать при решении задачи обеспечения надежного и стабильного сервиса.

Параметры безотказности:

интенсивность отказов системы;

наработка на отказ системы;

вероятность безотказной работы.

Зная Тср каждого элемента системы, можем определить интенсивность отказов λ, 1/ч, каждого элемента по формуле:

λ = 1/Tср (12)

Интенсивность отказов БС:

λБС=1/27000=38∙10^-6 1/ч

Интенсивность отказов контроллера:

λК=1/60000=17∙10^-6 1/ч

Интенсивность отказов мультиплексора:

λМ=1/46000=22∙10^-6 1/ч

Интенсивность отказов всей системы в целом вычисляется по формуле (13):

                    (13)

где λi - интенсивность отказов каждого элемента системы

Λ(t)_c=(38+17+22)∙ 10^-6=77∙10^-6 1/ч

Зная интенсивность отказов всей системы, можно определить наработку на отказ системы:

Тср.с=1/ Λ(t)_c (14)

Тср.с=1/77∙10^-6=12987ч.=542сут.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в течение заданного времени не произойдет отказа в системе. Определяется по формуле (15):

_с(t) = e^-Λt (15)

где t - время испытания, ч;

Λ - интенсивность отказов системы.

Время испытания может принимать следующие значения: 24, 720, 2172, 8760 ч.

Расчет вероятности отказа при t=24ч:_с(t)=e^{0,000077∙24}=0,9981

при t=720:_с(t)=e^{0,000077∙720}=0,947

при t=2172:_с(t)=e^{0,000077∙2172}=0,847

при t=8760:_с(t)=e^{0,000077∙8760}=0,512

Рисунок 5.-Кривая безотказности системы.

Параметры ремонтопригодности:

- среднее время восстановления;

коэффициент готовности;

коэффициент простоя.

Используя параметры надежности T_cp и T_в, можно вычислить коэффициент доступности услуг К_д (коэффициент готовности К_г).

Коэффициент готовности - вероятность того, что система будет в работоспособном состоянии в любой момент времени в промежутках между выполнением профилактического обслуживания или ремонта.

Коэффициент готовности

К_г=Т_ср/(Т_ср+Т_в) (16)

где T_cp- среднее время наработки на отказ системы;_в - время восстановления системы.

К_г=12987/(12987+5)=0,9997

Коэффициент простоя учитывает все простои аппаратуры, вызванные техническим обслуживанием, но без учета простоев по организационным причинам.

Коэффициент простоя:

К_п=1-К_г(17)

Таблица 4.-Результаты расчета надежности системы.

Сравнив расчетные параметры с нормативными показателями были сделаны выводы о состоянии надежности системы. Так как Т_ср более 350 суток и К_г более 0,99, то данную систему можно считать надежной.

4. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

сотовый связь трафик коммутация

По результатам данных показателей и рассчитанных параметров было выбрано оборудование.

.1 БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ HUAWEI DBS3900

Рисунок 6.- Базовая станция Huawei DBS3900

Базовая станция Huawei DBS3900 работает одновременно в двух режимах, как GSM так и UMTS. Эта базовая станция поддерживает работу по IP транспорту, что является очень важной характеристикой. Так же DBS3900 поддерживает плавный переход к сетям 4 поколения, LTE.

 <#"669816.files/image016.jpg">

Рисунок 8.- Контроллер базовых станций Huawei BSC6900

Контроллер базовых станций является важным элементом сети сотовой связи <#"669816.files/image017.jpg">

.3 МОБИЛЬНЫЙ ЦЕНТР КОММУТАЦИИ MSC SOFTX3000

Рисунок 9.- Мобильный центр коммутации MSC SoftX3000

Мобильный центр коммутации MSC для сети GSM-R - важная часть решения Huawei для сетей мобильной связи GSM-R. Он содержит MSC-сервер и медиашлюз MGW, поддерживает стандартные интерфейсы и все услуги, определенные в спецификациях EIRENE (European integrated railway radio enhanced network). Он может взаимодействовать с устройствами других производителей, например, с центром диспетчеризации.

4.4 МАPШPУТИЗАТОP QUIDWAY AR46-40

Рисунок 10.- Маpшpутизатоp Quidway AR 46-40

Маpшpутизатоpы Quidway сеpии AR 46 - это высокопроизводительные гpаничные маpшpутизатоpы для телекоммуникационных пpовайдеpов и сетей пpедпpиятий. Кpоме того, эти маpшpутизатоpы могут pаботать как магистpальные маpшpутизатоpы или высокопроизводительные агpегиpующие маpшpутизатоpы в сетях пpедпpиятий.

В маpшpутизатоpах Quidway AR 46 используются быстpодействующий микpопpоцессоp PowerPC и унивеpсальная платфоpма маpшpутизации (VRP). Эти маpшpутизатоpы пpедоставляют пользователям pазличные сpедства доступа с pазными пpотоколами канального уpовня. Они могут также поддеpживать DLSw, многоадpесную маpшpутизацию, pазличные типы VPN (включая VPN L2TP, GRE, IPSec и MPLS), пеpедачу голоса и услуги DDR.

Таблица 6.-Основные поддерживаемые протоколы и приложения

4.5 GSM ШЛЮЗ ATEUS EASYGATE FAX

Рисунок 11.- GSM шлюз ATEUS EASYGATE FAX

Порт FXS Прием и передача аналоговых факсимильных сообщений GPRS-сервис Режим передачи данных, прием и посылка SMS Функция FSK Подключение внешнего устройства.

4.6 КОНДИЦИОНЕР LG GOOD G09AHT

Рисунок 12.- Кондиционер LG Good G09AHT

5. АНАЛИЗ ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Так как в сети используется один частотный канал применяется схема трехэлемнтного кластера, в каждой соте которого одна частота.

Рисунок 13.-Структурная схема построения сети на базе кластеров

Всего по расчетам данная сеть включает в себя 1199 сот. 399 полных кластеров и один неполный, состоящий из двух сот.

Рисунок 14.-Принципиальня схема организации связи.

6. СМЕТА

Таблица 7.-Смета

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены общие принципы построения сети сотовой связи на базе стандарта GSM-1800 методом частотного планирования, требования и рекомендации по размещению оборудования БС; рассчитаны качественные параметры сети и ее надежность. По результатам расчетов выбрано оборудование. Составлена смета на строительство такой сети в среднем городе. Общая стоимость строительства составила 199831466. Из этого следует, что строительство такой сети не рентабельно, так как стоимость слишком высокая и сеть окупится через очень большое время. Это вызвано тем, что по задаче в одной соте используется всего одна частота. Если увеличить количество частот в соте, то ее радиус увеличится, а количество сот на сети уменьшится. Это значительно уменьши стоимость строительства и обслуживания данной сети.

БИБЛИОГРАФИЯ

1.      Города Росси и связь - электронные данные http://seoofis.ru/

.        Muvicom - электронные данные http://www.muvicom.ru/

.        Компания ИМАГ - электронные данные http://www.emag.ru/

.        HUAWEI - электронные данные http://www.huawei.com/ru/