Планування в нульовому наближенні мережі стільникового зв’язку для стандартів GSM-900 та GSM-1800

Планування в нульовому наближенні мережі стільникового зв’язку для стандартів GSM-900 та GSM-1800

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Кафедра комп’ютерної інженерії

Курсова робота

з навчальної дисципліни: «Системи зв’язку з рухомими об’єктами»

на тему: «Планування в нульовому наближенні мережі стільникового зв’язку для стандартів GSM-900 та GSM-1800»

Виконав: Казидуб О.О.

Перевірила: Рвачова Н.В.

Полтава 2013

ЗМІСТ

Вступ

Варіант завдання та вихідні дані

. Оптимальний вибір частотних каналів, розрахунок кількості стільників в мережі та максимального віддалення в стільнику абонентської станції (АС) від базової станції (БС)

. Втрати на трасі

. Потужність передавачів базової станції

. Електроживлення базової станції

. Надійність мережі стільникового зв’язку

Висновок

Список використаної літератури

ВСТУП

Вплив технологій мобільного зв'язку на наше життя неможливо переоцінити. Мобільний зв'язок розглядається в даний час як необхідність, а технології мобільного зв'язку є найбільш необхідними і швидко зростаючими. Системи мобільного зв'язку еволюціонували в дуже короткий час. Розглядаючи питання еволюції систем мобільного зв'язку, ми приходимо до поняття «покоління».

Системи першого покоління (1G ) були аналоговими, реалізованими на достатньо надійних мережах, але з обмеженою можливістю надання послуг абонентам. Крім того, вони не дозволяли здійснювати роумінг між мережами.

Системи мобільного зв'язку другого покоління ( 2G ) є цифровими. Вони принесли суттєві переваги з точки зору надання абонентам вдосконалених послуг, підвищення ємності і якості. Система GSM відноситься до технології 2G. Але потреба в бездротовому доступу до Інтернету, призвела до подальшого розвитку системи 2G. Так з'явилася система, названа 2.5 G. Прикладом технології 2.5 G є GPRS ( General Packet Radio Services ) - стандартизована технологія пакетної передачі даних, що дозволяє використовувати кінцевий пристрій мобільного зв'язку для доступу до Інтернету. Іншими, що з'явилися з часом стандартними і опціональними властивостями цифрових мереж мобільного зв'язку є властивості інтелектуальної мережі (IN), властивості системи позиціонування рухомих об'єктів, SMS (послуги служби коротких повідомлень) і розробки в програмному забезпеченні системи сигналізації та мережевого управління.

Оскільки в даний час існує декілька систем 2G, що використовують несумісні технології та працюють у різних частотних спектрах, вони не можуть завоювати масовий ринок на довгостроковий період. Ці фактори призвели до концепції систем третього покоління (3G), які дозволять здійснювати зв'язок, обмін інформацією та надавати різні розважальні послуги, орієнтовані на бездротовий кінцевий пристрій (термінал). Розвиток подібних послуг почався вже для систем 2G, але для підтримки цих послуг система повинна володіти високою місткістю і пропускною здатністю радіоканалів, а також сумісністю між системами, для того, щоб надавати прозорий доступ по всьому світу. Прикладом системи 3G є Універсальна система мобільного зв'язку (UMTS ) .

Таким чином, GSM є основоположною технологією, на якій зростали технології попередніх та існуючих систем мобільного зв'язку, і на якій будуть відпрацьовуватися майбутні напрямки розвитку в галузі зв'язку.

ВАРІАНТИ ЗАВДАННЯ ТА ВИХІДНІ ДАНІ

ВАРІАНТ №33.

В роботі необхідно спланувати в нульовому наближенні мережу стільникового зв’язку в місті при вихідних даних наведених в таблиці .

Таблиця 1.

Під час виконання розрахунково-графічної роботи необхідно:

) виконати оптимальний вибір частотних каналів;

) розрахувати кількість стільників в мережі;

) знайти максимальне віддалення в стільнику абонентської станції від базової станції;

) розрахувати втрати на трасі;

) визначити потужність передавачів базової станції, при якому P_outБС приймається від № варіанта відняти десять;

) розрахувати електроживлення базової станції;

) розрахувати надійність мережі стільникового зв’язку.

стільниковий частотний абонентський станція

1. ОПТИМАЛЬНИЙ ВИБІР ЧАСТОТНИХ КАНАЛІВ, РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ СТІЛЬНИКІВ В МЕРЕЖІ ТА МАКСИМАЛЬНОГО ВІДДАЛЕННЯ В СТІЛЬНИКУ АБОНЕНТСЬКОЇ СТАНЦІЇ (АС) ВІД БАЗОВОЇ СТАНЦІЇ (БС)

Вибір частотних каналів буде проводиться для шести частот в стільнику для кластерів із секторизованими стільниками типу 3/9 та 4/12. Тип кластеру необхідно обрати оптимальним з урахуванням проведених розрахунків.

Кластер із секторизованими стільниками типу 3/9 (рис.1.1):

Рис.1.1. Кластер типу 3/9

Частотні діапазони кластеру типу 3/9 для uplink (↑) та downlink (↓) зведені до таблиці 1.1:

Таблиця 1.1.

Оскільки в одному стільнику для даного випадку використовується шість частотних канали (в одному секторі два частотних канали), то на основі таблиці 1.1. складемо розподіл частотних каналів у кожному стільнику кластера типу 3/9. Дані зведемо до таблиці 1.2.

Таблиця 1.2.

Виходячи з таблиці 1.2. маємо:

         число частотних каналів у стільнику - 6;

         число частотних каналів у кластері - 18.

За даними числа частотних каналів у стільнику (шість), згідно таблиці визначення числа каналів трафіку, маємо 44 каналів трафіку. За даними таблиці Ерланга при р_відм = 0,02 допустимий трафік у стільнику А_ст=34,68Ерл.

Середній трафік одного абонента в годину найбільшого навантаження для середнього міста складає А₁ = 0,02 Ерл.

Визначаємо допустиме число абонентів у стільнику за формулою:

Визначаємо число стільників в місті:

Площу стільника визначимо за формулою:

Радіус стільника у вигляді правильного шестикутника:

Обраховані дані зводяться до таблиці 1.5.

Кластер із секторизованими стільниками типу 4/12 (рис.1.2):

Рис.1.2. Кластер типу 4/12

Частотні діапазони кластеру типу 4/12 для uplink (↑) та downlink (↓) зведені до таблиці 1.3:

Таблиця 1.3.

Оскільки в одному стільнику для даного випадку використовується шість частотних канали, то на основі таблиці 1.3. складемо розподіл частотних каналів у кожному стільнику кластера типу 4/12.

Таблиця 1.4.

Виходячи з таблиці 1.4. маємо:

         число частотних каналів у стільнику - 6;

         число частотних каналів у кластері - 24.

За даними числа частотних каналів у стільнику (шість), згідно таблиці визначення числа каналів трафіку, маємо 44 каналів трафіку. За даними таблиці Ерланга при р_відм = 0,02 допустимий трафік у стільнику А_ст=34,68Ерл.

Середній трафік одного абонента в годину найбільшого навантаження для середнього міста складає А₁ = 0,02 Ерл.

Визначаємо допустиме число абонентів у стільнику за формулою:

Визначаємо число стільників в місті:

Площу стільника визначимо за формулою:

Радіус стільника у вигляді правильного шестикутника:

Обраховані дані зводяться до таблиці 1.5.

Таблиця 1.5.

На основі проведених обрахунків обирається кластер із секторизованими стільниками типу 4/12, оскільки він краще підходить для даної місцевості (середнє місто). Даний вибір можна обґрунтувати тим, що даний тип містить більше число частот у кластері, як недолік - це здорожує мережу, оскільки за частотні канали потрібно платити. Але, як перевага даного типу кластеру, що й вплинуло на вибір це те, що він має більший захисний інтервал, а отже має більшу завадостійкість. Ну й чим більше число каналів, тим більш вільна буде мережа для абонентів.

Мережа буде мати 6 частотних каналів у стільнику, оскільки при цьому забезпечується радіус стільника 1,02 км, число абонентів, які стільник може обслуговувати одночасно дорівнює 1734.

. ВТРАТИ НА ТРАСІ

Втрати на трасі визначаємо за моделлю Окамури - Хата. Вони залежать від відстані R, робочої частоти F, висоти підвісу антен базової станції Н_БС і абонентської станції Н_АС. Даний метод заснований на аналітичній апроксимації результатів практичних вимірювань. Набір емпіричних формул і поправочних коефіцієнтів, отриманий в результаті такої апроксимації, дозволяє розрахувати середні втрати для різних типів місцевості.

У діапазоні 900 МГц слід використовувати рекомендації [Rec. ITU -R Р. 529-2]. Умови застосовності моделі F = 150-1500 МГц; Н_БС = 30-200 м; Н_АС = 1-10 м.

Для мого варіанту місцевості міська забудова (середнє місто) буде:

_г = 69,55 + 26,16lgF - 13,82lgH_БС + aH_AC + (44,9 - 6,55lgH_БС)lgR,

де aH_АС = (1,1lgF - 0,7)H_AC - (1,56lgF - 0,8);

Н_БС - ефективна висота підйому антени базової станції, м;

Н_АС - висота антени рухомого станції над землею, м; - відстань між передавачем і приймачем, км; - частота сигналу, МГц.

Для розрахунку втрат на трасі в напрямку Uplink (↑) маємо такі дані F=892,4 МГц (середня частота діапазону 890-894,8 МГц), Н_БС=30м, Н_АС=1,5м, R =1,02км. Обрахуємо середні (медіанні) втрати на трасі L_г:_г = 69,55 + 26,16lgF -13,82lgH_БС + (1,1lgF - 0,7)H_AC - (1,56lgF - 0,8) + + (44,9 - 6,55lgH_БС)lgR = 69,55 + 26,16lg892,4 - 13,82lg30 + (1,1lg892,4 - 0,7)1,5 - (1,56lg892,4 - 0,8) + (44,9 - 6,55lg30) lg1,02=126,6 дБ.

Необхідний запас потужності сигналу для його впевненого прийому на 90 % площі з імовірністю 75 % ,  дБм, де  дБ - середньоквадратичне відхилення сигналу через флуктуації в точці прийому. Крім того , врахуємо додаткові втрати в будівлі L_дод = 12 дБ. Отже, сумарні втрати на трасі:_p = 126,6 + 5,44 + 12 = 144,04 дБ.

Для розрахунку втрат на трасі в напрямку Downlink (↓) маємо такі дані F=937,4 МГц (середня частота діапазону 935-939,8 МГц), Н_БС=30м, Н_АС=1,5м, =1,02км. Обрахуємо середні (медіанні) втрати на трасі L_г:_г = 69,55 + 26,16lgF -13,82lgH_БС + (1,1lgF - 0,7)H_AC - (1,56lgF - 0,8) + + (44,9 - 6,55lgH_БС)lgR = 69,55 + 26,16lg937,4 - 13,82lg30 + (1,1lg937,4 - -0,7)1,5 - (1,56lg937,4 - 0,8) + (44,9 - 6,55lg30) lg1,02=127,2 дБ.

Необхідний запас потужності сигналу для його впевненого прийому на 90 % площі з імовірністю 75 % ,  дБм, де  дБ - середньоквадратичне відхилення сигналу через флуктуації в точці прийому. Крім того , врахуємо додаткові втрати в будівлі L_дод = 12 дБ. Отже, сумарні втрати на трасі:_p = 127,2 + 5,44 + 12 = 144,64 дБ.

Отже, втрати на трасі для напрямку Uplink (↑) становлять L_p = 144,04 дБ, для напрямку Downlink (↓) - L_p = 144,64 дБ.

. ПОТУЖНІСТЬ ПЕРЕДАВАЧІВ БАЗОВОЇ СТАНЦІЇ

Розрахуємо потужність сигналу на вході приймача БС для напрямку Uplink (↑), якщо потужність передавача АС становить P_{out AC} =2 Вт (33 дБм),

_{f AC}=0, G_{a AC}=0, L_p=144,04дБ, G_{a БС}=16 дБ, G_{d БС}=3дБ, L_{f БС}=2 дБ:_{in БС} = P_{out AC} - L_{f AC} + G_{a AC} - L_p + G_{a БС} + G_{d БС} - L_{f БС} = 33 - 0 + 0 - 144,04 + + 16 + 3 - 2 = -94,04 дБм. > -111 дБм.

Розрахуємо потужність сигналу на вході приймача АС для напрямку, Downlink (↓) якщо потужність передавача БС (оскільки даний варіант 33 з умови на завдання від № варіанта потрібно відняти десять) становить _outБС =23 Вт (43,6 дБм,), L_{f БС} =2 дБ, G_aБС =16, L_c =3дБ (оскільки використовується 6 частот в стільнику), L_p=144,64дБ, G_aАС =0 дБ, L_fAC =0 дБ:

Р_inАС = P_outБС - L_{f БС} + G_aБС - L_c - L_p + G_aАС - L_fAC = 43,6 - 2 + 16 - 3 - 144,64 + + 0 - 0 = -90,04 дБм > -104 дБм.

Розраховані дані заносяться до таблиці 3.1.

Таблиця 3.1.

Знайдені величини P_inAC і P_inБС повинні перевищувати чутливість приймачів мобільної станції -104 дБм і базової станції -111 дБм. В даному випадку P_inAC= -90,04 та P_inБС= - 94,04 перевищують чутливість приймачів мобільної станції -104 дБм і базової станції -111 дБм.

. ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ БАЗОВОЇ СТАНЦІЇ

У мережах стільникового зв'язку найбільшого поширення набули джерела безперебійного живлення (ДБЖ) змінного струму. Організація безперебійного живлення об'єкта передбачає можливість його перемикання при неполадках в електромережі на альтернативне джерело енергії. В ДБЖ будь-якого типу функції такого джерела виконують акумуляторні батареї.

Акумулятори є вторинними елементами живлення або, як їх ще називають, хімічними джерелами струму другого типу.

Акумуляторні батареї функціонують у двох основних режимах: розряду і заряду. Встановлені в ДБЖ змінного струму батареї знаходяться в одному з трьох станів - черговому, аварійному і поставарійному. Оскільки аварії в мережі відбуваються не часто, більшу частину строку експлуатації батарея функціонує в черговому, або буферному, режимі постійного підзаряду. Аварійні режими (живлення навантаження від батареї) в телекомунікаціях займають порівняно невеликий час. Поставарійний - це автоматичний режим заряду розрядженої батареї. Будь-яка акумуляторна батарея характеризується взаємопов'язаною системою параметрів, базовими з яких є ємність і номінальна напруга. Вибір ємності акумуляторна батарея обумовлений типом навантаження, яке вона буде підтримувати протягом заданого часу при певних режимах розряду. Для будь-якого телекомунікаційного об'єкта визначальними є вимоги з енергопостачання: час роботи, струм розряду, потужність. Вимоги по ємності визначаються на підставі цих характеристик.

Для даного варіанту використовуються свинцево-кислотні акумуляторні батареї. Вони мають такі характеристики:

         номінальна напруга U_n - 2 В;

         номінальна ємність C_n - 1000 Ач.

Основні області застосування свинцево-кислотних акумуляторних батарей:  - безперервне електроживлення;

- телекомунікації;

- пожежне освітлення;

- пожежна тривога та системи забезпечення безпеки.

Відмінні особливості свинцево-кислотних акумуляторних батарей:

- дешевизна і простота виробництва;

- за вартістю 1 кВт∙год енергії ці батареї є найдешевшими;

- малий саморозряд - найнижчий порівняно з акумуляторними батареями інших типів;

- низькі вимоги до обслуговування - відсутній «ефект пам'яті», не потрібно доливання електроліту;

- припустимі високі струми розряду;

- не допускається зберігання в розрядженому стані;

- низька енергетична щільність - велику вагу акумуляторних батарей обмежує їх застосування в стаціонарних та рухомих об'єктах;

- допустимо лише обмежена кількість циклів повного розряду (200-300);

- кислотний електроліт і свинець мають шкідливий вплив на навколишнє середовище;

- при неправильному заряді можливий перегрів.

Свинцево-кислотні батареї мають настільки низьку енергетичну щільність в порівнянні з іншими типами батарей, що це робить недоцільним використання їх в якості джерел живлення переносних пристроїв. Хоча приклади їх застосування у портативній електронній техніці є. Крім того, при низьких температурах їх ємність суттєво знижується.

Виробники ДБЖ завжди вказують повну потужність, виражену в вольт- амперах, отже, необхідно перевести активну потужність обладнання в повну. Активна потужність обчислюється за формулою:

Р_ДБЖ>P_max/PF

де Р_ДБЖ - необхідна потужність джерела безперебійного живлення базової станції; PF (Power Factor) - коефіцієнт потужності, який у цій роботі приймається рівним 0,7; Pmax - максимальна споживана потужність.

Максимальна споживана потужність для базових станцій мереж GSM 60 Вт.

Р_ДБЖ=60/0,7=85,7 Вт

Необхідно також врахувати максимальну споживану потужність охоронно-пожежної сигналізації - 900 Вт і системи управління мікрокліматом - 3000 Вт.

Тому, потужність джерела безперебійного живлення базової станції буде: Р_ДБЖ85,7+900+3000=3985,7 Вт.

Для роботи в автономному режимі ДБЖ базової станції комплектується чотирма батареями.

Розрахуємо максимальний час автономної роботи при заданому навантаженні за формулою:

Оскільки базової станції комплектується чотирма батареями, то загальний час їх роботи в автономному режимі становитиме:

. НАДІЙНІСТЬ МЕРЕЖІ СТІЛЬНИКОВОГО ЗВ’ЯЗКУ

Однією з найважливіших завдань при проектуванні мереж стільникового зв'язку є розробка пристроїв і вузлів, які забезпечують виконання всіх покладених на них функцій протягом тривалого терміну служби обладнання.

Вирішення цієї проблеми можливе тільки при комплексному вирішенні питань надійності на всіх стадіях проектування і експлуатації.

В теорії надійності вводяться кількісні характеристики і встановлюється зв'язок між ними, розробляються методи, що дозволяють аналізувати фізичні причини відмов і прогнозувати надійність.

Йдеться про вибір методів і засобів забезпечення роботи систем з максимальною ефективністю. Час напрацювання на відмову Т_н і середній час відновлення після збою Т_в є основними параметрами, які слід враховувати при вирішенні завдання забезпечення надійного і стабільного сервісу.

Значення часу напрацювання на відмову і середнього часу відновлення такі:

-        середній час напрацювання на відмову Т_сер:

а) для БС Т_сер=37000 год.;

б) для контролера Т_сер=53000 год.;

в) для мультиплексора Т_сер=45000 год.

- середній час відновлення, Т_в = 8 год.

Необхідно визначити надійність системи.

Параметри безвідмовності:

інтенсивність відмов системи;

напрацювання на відмову системи;

ймовірність безвідмовної роботи.

Обрахуємо інтенсивність відмов кожного елемента:

         для БС при Т_сер=37000 год.:

-        для контролера при Т_сер=53000 год.:

-        для мультиплексора при Т_сер=45000 год.:

Обрахуємо інтенсивність відмов системи в цілому:

Визначаємо напрацювання на відмову системи:

Ймовірність безвідмовної роботи визначається:

де t - час випробування, год;

 - інтенсивність відмов системи.

Час випробування може приймати такі значення: 24, 720, 2172, 8760 години.

Для t=24 год.:

.

Подальші ймовірності безвідмовної роботи для часу випробування 720, 2172, 8760 годин зведені до таблиці 5.1.

Таблиця 5.1.

За даними таблиці 5.1 будуємо криву безвідмовності P(t) (рис.5.1):

Рис.5.1. Крива безвідмовності P(t)

Знайдемо параметри ремонтопридатності. До них відносяться:

середній час відновлення - Т_в = 8 год.;

коефіцієнт готовності;

коефіцієнт простою.

Коефіцієнт готовності (ймовірність того, що система буде в працездатному стані в будь-який момент часу в проміжках між виконанням профілактичного обслуговування або ремонту) визначається:

де T_cеp=14706год=612,75 діб≈613діб-напрацювання на відмову системи; _в = 8 год - час відновлення системи.

Коефіцієнт простою (враховує всі простої апаратури, викликані технічним обслуговуванням, але без обліку простоїв з організаційних причин) визначається:

_П = 1 - К_г=1-0,9994=0,0006

В результаті розрахунків повинна заповнюємо таблицю 5.2.

Таблиця 5.2

Розрахункові параметри порівнюємо з нормативними показниками і робимо висновок про стан надійності системи.

Нормативні показники системи:

напрацювання на відмову системи Т_сер повинно бути не менше 350 діб, обраховане значення 613 діб. Значення напрацювання на відмову системи відповідає нормативним показникам.

коефіцієнт готовності системи К_г повинен бути не менше 0,99; обраховане значення 0,9994. Значення коефіцієнт готовності системи відповідає нормативним показникам.

Можна зробити висновок, що система надійна.

ВИСНОВОК

В даній роботі було сплановано в нульовому наближенні мережа стільникового зв’язку для стандарту GSM-900.

Дана робота передбачала на першому етапі вибір частотних каналів, розрахунок кількості стільників в мережі, знаходження максимального віддалення в стільнику абонентської станції від базової станції. Визначивши число частот в стільнику, число частот у кластері, допустиме число абонентів у стільнику, число стільників у місті, площу стільника, радіус стільник необхідно було знайти (обрати) оптимальний варіант мережі, яка б забезпечувала якісний мобільний зв’язок абонентів для даної місцевості (для даного варіанту місцевість - середнє місто), було обрано кластер із секторизованими стільниками типу 4/12, та числі частот у стільнику шість. Даний тип кластеру має як недоліки, так і переваги. Недоліком виступає те, що кластер типу 4/12 містить більше частотних каналів (у порівнянні з кластером 3/9), що суттєво здорожує вартість мережі, оскільки за частотні канали доводиться платити гроші. Перевагою даного типу кластеру те, що він має більший захисний інтервал, а отже має більшу завадостійкість.

Другий етап розрахунково-графічної роботи передбачав забезпечення балансу потужностей в стільнику. Було складено два рівняння балансу потужностей для напрямку вгору (від АС до БС) та для напрямку вниз (від БС до АС). Щоб скласти рівняння балансу потужностей необхідно було визначити втрати на трасі за моделлю Окамури - Хата. Втрати на трасі залежать від відстані R, робочої частоти F, висоти підвісу антен базової станції Н_БС і абонентської станції Н_АС. Формула обрахунку була взята для міської зони (середнє місто). Щоб значення P_inБС та P_inAC отримати більшими, ніж мінімальні необхідно було обрати правильну висоту підвісу антени БС. Обраховане значення потужності повинно було бути для напрямку вгору не менше P_inБС = -111 дБм, вниз - P_inAC = -104 дБм. В ході розрахунків дана умова була виконана P_inБС= - 94,04 та Pin_AC= - 90,04

Останнім етапом роботи був розрахунок електроживлення базової станції та надійність мережі стільникового зв'язку. Електроживлення базової станції - це свинцево-кислотні акумуляторні батареї. Загальний час їх роботи (кількість батарей чотири) до повного розряду складає 120,4 хвилин, що звичайно не багато, але враховуючи, що в місті електроенергія забезпечується постійно (крім НС) будемо вважати, що цього часу буде достатньо, для забезпечення електроенергією базової станції на час відключення джерела безперебійного живлення. Надійність мережі повинна забезпечувати нормальне функціонування системи протягом визначеного терміну служби. Розрахункові параметри повинні відповідати нормативним показникам. Порівнявши розраховані параметри з нормативними такі як напрацювання на відмову системи Т_сер повинно бути не менше 350 діб, обраховане значення 613 діб; коефіцієнт готовності системи К_г повинен бути не менше 0,99, обраховане значення 0,9994 можна зробити висновок, що система цілком надійна.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. З. Г. Закиров, А. Ф. Надеев, Р. Р. Файзуллин. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения. Серия: Библиотека МТС. Издательство: Эко-Трендз, 2004 г. 264 стр.

. С. Б. Макаров, Н. В. Певцов, Е. А. Попов, М. А. Сиверс. Телекоммуникационные технологии. Введение в технологии GSM. Серия: Высшее профессиональное образование. Издательство: Академия, 2008 г.

. В. И. Попов. Основы сотовой связи стандарта GSM. Серия: Инженерная энциклопедия ТЭК. Издательство: Эко-Трендз, 2005 г.