Предварительный расчет частотно-территориального планирования однородной сети подвижной связи

ВВЕДЕНИЕ

 

РАСS- система персональной связи. Это американский аналог системы DECT. В основе большинства стандартов  РАСS лежит система беспроводной связи.

Для этойсистемы  характерны небольшие недорогие  базовые станциис малой зоной покрытия, маломощные и небольшие телефоны с невысокой вычислительной сложностью и способностью. Эта система оптимизирована для предоставления услуг внутри помещений и в местах с высокой плотностью трафика, поэтому в таких районах она представляет  собой экономически  эффективное решение. Простота используемого радиопротокола позволяет объединить блоки системы с сотовыми мобильными станциями системы действующей на территории Америки .

Мобильные телефоны РАСS взаимодействуют с базовыми станциями в режиме TDMA/FDD. Радиопорты соединены с блоками управления радиопортами , которые питаются от местной телефонной станции по линии HDSL. Это устраняет необходимость в автономном источнике питания .

Радиопорты  и мобильные телефоны системы  РАСS имеют настолько простую структуру, насколько это возможно, для того чтобы потребление электроэнергии стало минимальным.

Интересная  особенность передачи данных в системе  РАСS это разнесенный прием, используемый в мобильных телефонах и базовых станциях. В мобильном телефоне используется так называемое предварительное разнесение. Мобильный телефон производит измерения  входе непрерывной передачи данных в  исходящем направлении. Поэтому перед получением пакета телефон может выбрать антенну для передачи следующего пакета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Предварительный расчет частотно-территориального планирования однородной сети подвижной связи

 

 

1. Обоснование и выбор ЭППР

 

Всю территорию можно разделить на элементарные площадки пространственного радиопокрытия (ЭППР). Это необходимо с целью  обслуживания значительного количества абонентов и в связи с особенностями  распространения электромагнитных волн заданного диапазона частот.

По формуле (1) докажем, может ли одна BS обслуживать всю территорию радиопокрытия. Для этого надо учесть, что расстояние прямой радиовидимости для BS можно определить по формуле, для гладкой сферичной поверхности Земли и с учетом атмосферной рефракции (идеализированная теоретическая модель).

 

H=3,57…4,2( , км                                       (1)

 

где, м − высота подвеса и мачты антенн соответственно мобильной и базовой станций.

Так как  радиус R составляет 200 м, то принимаем

Исходя  из формулы (1) рассчитаем расстояние прямой радиовидимости для BS:

 

H=4( =24км

 

По условию  радиус ЭППР R=0,1 км то  можно принять и учесть, что они выбираются в диапазоне от 1 до 15 м.

Проанализируем возможность построения сети с помощью одной BS и решим вопрос о необходимости построения мачт антенн для базовых станций.

Если 

 

H>GR, км                                                          (2)

где G – общее количество сот,

Произведем  расчет по формуле (2):

 

G*R=60*0.1=6км

24 км >6 км

 

Условие формулы (2) выполняется, однако количество каналов сети нельзя реализовать  такое, чтобы выполнить параметры  телетрафика для сети заданного  стандарта с учетом плотности  проживающего населения. При этом если учесть географические особенности  местности и распространение  радиоволн, то из-за появления радиотени  появятся мертвые зоны, где прием  и связь будут не возможны. Поэтому использование одной BSявляется нецелесообразным.

Выбираем  и обосновываем форму ЭППР. Она, в  основном, может определяться формой диаграммы направленности (ДН) антенны  BS в горизонтальной плоскости. В качестве элементарного излучателя можно использовать полуволновой вибратор. Его ДН в горизонтальной плоскости приближается к форме круга, в центре которого размещается излучатель. Поэтому форма ЭППР может иметь вид правильного n-угольника, который может быть вписан в окружность с радиусом R. Необходимо выбрать форму геометрической фигуры в качестве ЭППР на основе сведений .Самым простым решением может являться использование равномерной сетки состоящей из квадратных ячеек .Однако такая геометрическая форма может являться не идеальной. Пусть сторона квадрата R, это и радиус описанной окружности. Существует помеха от четырех соседних BS на расстоянии R и от четырех на расстоянии – . В то же время, если мобильная станция находится в пределах одной ЭППР и движется по направлению к ее границе, было бы лучше, чтобы все смежные BS находились на равных расстояниях друг от друга. В этом случае проще определить момент, в который следует переключать мобильную станцию (MS) на обслуживание другой BS. Необходимо найти форму ячейки, в которой достигается равное расстояние между смежными антеннами BS.

При аппроксимации  обслуживаемой территории с помощью  ЭППР может возникнуть перекрытие соседних ячеек на реальной территории обслуживания. Может возникнуть конфликт соседства  в радио покрытии из-за того, что  ячейки обслуживания в виде круга  нельзя приблизить без появления  необслуживаемой территории или  необходимо накладывать ячейки друг на друга, тогда могут появиться  общие территории, где проводится обслуживание несколькими BS. Можно применить плоское описание поверхности Земли 2D и посчитать за идеальную территорию обслуживания – круг, то может появиться погрешность (отличие от формы круга). Погрешность при такой аппроксимации обслуживаемой территории рассчитываем по формуле

%                                                            (3)

где , м² – площадь правильного

n-угольника ;

, м² – площадь круга.

приводим  расчеты для n {3…8}. Из расчетов выбраем форму аппроксимирующего n-угольника. При выборе использоваем  рассчитанные погрешности ξn, % и сведения приведенные выше. Рассчитанные данные записываем в таблицу 2.

=0,0314 км²

=0,01425 км²;

 

=0,0195 км²;

 

=0,0225 км²;

=0,0258 км²;

       =0,0262 км²;

       0,0289 км²;

=54,6%

=37,5%

=26,3%

=17%

=16,5%

=16%

 

 

 

 

Таблица 2 −  Погрешности при аппроксимации  ЭППР

 

 

Площадь	Sкр,км2	S3,км2	S4,км2	S5,км2	S6,км2	S7,км2	S8,км2
Значение площади	0,0314	0,01425	0,0196	0,0225	0,0258	0,0262	0,0289
ξ, %	0	54,6	37,5	26,3	17	16,5	16

 

Наименьший % погрешности получили при построении ячейки в виде восьмиугольника, но такой  тип ячейки сложно реализовать, также будет много участков вне зоны обслуживания. Поэтому более оптимально применить я чейку в виде шестиугольника

.

Таким образом, оптимальным вариантом является выбор правильного шестиугольника (гексоноида) в качестве ЭППР, представленного  на рисунке 

 

 

Рисунок 1 -  Графическое представление  ЭППР в виде шестиугольной формы 

 

Преимуществами  гексоноида является  небольшая  погрешность относительно площади  круга и легче можно обеспечить хэндовер. В результате при планировании не будет образовываться мертвых зон. На основе сказанных преимуществ можно построить качественную сухопутную сеть подвижной  связи.

     

        1.2. Расчет территориальной модели однородной сети с FDMA и TDMA

 

Высокая частотная эффективность сетей  сухопутной подвижной радиосвязи может  достигаться повторным использованием частотных каналов. Для организации  повторного использования частот, необходимо вначале построить территориальную модель однородной сети в зависимости от выбранной модели ЭППР.

Произведем расчет с использованием геометрической модели на плоскости 2D.Методику расчета произведем для той модели ЭППР, которая  выбрала в п 1.1. и согласно варианту задания по КП.

В сотовой  сети в качестве модели ЭППР используемгексогоноид. Совокупность ближайших сот, в которых невозможно использовать одни и те же частотные каналы из-за появления взаимных (соканальных, интерференционных) помех называется кластером.

В задании  указана размерность кластера, С. G – это количество сот, в которых частоты не повторяются. Зная ее, определим относительные координаты BS, в которых будут использоваться одни и те же частотные радиоканалы. А размерность кластера можно определить по формуле:

 

С=а²+аb+b²                                                                (4)

 

Из этой формулы находим aи b, т.к. aи b должны быть целыми числами.

Если  С=12, то выберем a=2и b=2

 

 

 

 Если  используется правильныйn-угольник, то расстояние между центрами ближайших n-угольников, т.е. между ближайшими BS, можно рассчитать по формуле:

 

, км                                                 (5)

 

где R – радиус описанной окружности.

Исходя  из формулы (5) получим:

 

 

 

Тогда угол между осями используемой системы  координат однородной модели и с  учетом сферичной формы Земли  можно выбрать по формуле:

 

, град                                                           (6)

 

Исходя  из формулы (6) получим:

 

 

Расстояние  между параллельными прямыми  линиями сетки однородной территориальной  модели сети подвижной связи можно  определить по формуле:

 

, км                                                    (7)

 

Исходя  из формулы (7) получим:

 

 

Смещение  BS, расположенных на соседних параллельных линиях сетки, относительно друг друга, можно определить по формуле:

 

, км                                                    (8)

 

Исходя  из формулы (8) получим:

 

 

 

В качестве единицы масштаба в территориальной  модели можно принять нормированное  расстояние между узлами (BS) равное для сотовой модели. В результате все расстояния в модели будут определяться целыми числами и можно ввести относительные координаты размещения базовых станций (x,y)=(a,b).

Строем территориальную модель однородной сети сухопутной подвижной связи. Начальные оси разместить под углом φ. Начальную (первую) соту выбирать в центре кластера, если это возможно или любую другую соту, с учетом, что построение будет периодически повторятся вокруг сот первого кластера, по правилу (а,b). Это видно на графическом представлении рисунка 3.

 

 

Рисунок 3 - Территориальная модель однородной сети сухопутной подвижной связи

 

Параллельно осям размещаем сетку территориальной  модели, показывая её более тонкими  пунктирными линиями. Заданное количество кластеров К размещаем так, чтобы  они охватывали всю обслуживаемую  территорию и располагались как  можно плотнее друг к другу. Форма  обслуживаемой территории должна приближаться к форме круга, если это возможно.

Затем можно  рассчитать защитный интервал по формуле:

 

                                            (9)

Исходя  из формулы (9) получим:

 

 

 

 

Рассчитаем уровень уменьшения соканальных (интерференционных) помех по формуле:

 

                                             (10)

 

Исходя  из формулы (10) получим:

 

 

 

Зная  площадь соты, S_с, рассчитаем площадь кластера по формуле:

 

                                                 (11)

 

Исходя  из формулы (11) получим:

 

 

 

И площадь  всей сети

 

S= S_с*G, км²                                                    (12)

 

Исходя  из формулы (12) получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 − Координаты размещения BS

 

BS	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Координаты BS a,b	0;0	1;0	1;-1	0;-1	-1;0	1;1	0;1	1;2	2;1	2;2	2;-2	-2;3

 

 

 

 

 

1.3 Расчет  интерференционных помех территориальной  модели однородной сети с FDMA и TDMA

 

По модели сети составленной ранее (рисунок 3) рассчитываем расстояния до мешающих станций, которые  работают на одних и тех же частотах. Их количество зависит от количества кластеров и определяется как  К – 1. Модель расчета представлена на рисунке 3.