Построение базовых станций в г. Волгограде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Типология расположения БС и расчет зоны радиопокрытия

1. Географические и социальные особенности г. Волгограда

Волгоград - город на юго-востоке европейской части России, административный центр Волгоградской области. Население - 983,9 тысяч человек (2008) в границах города (13-е место в РФ), 1,470 (2005) млн. человек в агломерации (8-е), в которую входят города Волжский и Краснослободск (расположенные на противоположном берегу Волги) и прочие населённые пункты. Город являлся городом-миллионником в 1989-1998 и 2002-2005 годах. Площадь города составляет: 565 кмІ

Волгоград находится на правом берегу реки Волга в её нижнем течении. Город протянулся на 70-90 км вдоль реки (урез воды 10 м ниже уровня моря). Непосредственно прилегающая к Волге часть города низменная с абс. отметками 0 - 40 м, западнее Волги на удалении 1-3 км находится цепь пологих холмов с абс. отметками 50-100 м. Рельеф Волгоградской области равнинный. Растительная зона: сухая дерновиннозлаковая степь. Почвы: светло-каштановые солонцеватые. Климат умеренный континентальный. Среднее количество осадков - 330 мм в год. Средние температуры: январь ?9,6°C (до ?35°C), июль +24,2°C (до +40°C). Возможны резкие перепады температур.

Административно город делится на восемь районов. В порядке их географического расположения с севера на юг:

Тракторозаводский - 136,3 тыс. жителей, Краснооктябрьский - 154,3 тыс. жителей, Дзержинский - 171.1 тыс. жителей, Центральный - 88,8 тыс. жителей, Ворошиловский - 77,6 тыс. жителей, Советский - 81,3 тыс. жителей, Кировский - 103,1 тыс. жителей, Красноармейский - 171,4 тыс. жителей.

Застройка преимущественно 5-6 этажные дома. Благодаря своему выгодному географическому положению, Волгоград занимает стратегические позиции в социально-экономическом развитии Юга России. На территории Волгограда находится большое число предприятий. На начало 2004 года в Волгограде насчитывалось 161 крупное и среднее промышленное предприятие. Их доля в общем объёме промышленного производства Волгоградской области составляет 46 процентов. Более трети экономически активного населения города занято в промышленном секторе экономики. Среднегодовая численность работающих - 99,8 тысячи человек.

Рис. 1. Карта города Волгограда

2. Социально-экономический и инфраструктурный обзор административных районов г. Волгограда

Центральный район: площадь: 11,02 кмІ, население: 97,1 тыс. чел. Район характерен своей развитой инфраструктурой, является важным транспортным узлом Волгограда: включает железнодорожный и речной вокзалы, 1 и 2 Продольные автомагистрали. Центральный район Волгограда граничит с Краснооктябрьским, Дзержинским и Ворошиловским районами. В центре Волгограда расположены главные памятники Великой Отечественной Войны: памятник-ансамбль «Героям Сталинградской битвы» на Мамаевом Кургане, Дом Павлова, музей-панорама «Сталинградская битва», руины мельницы имени К.Н. Грудинина и др. Здесь же находятся основные памятники архитектуры: здание Дворянского собрания г. Царицына, каланча Центральной пожарной станции г. Царицына, здание гостиницы «Столичные номера» (гостиница «Волгоград»), здание ж/д вокзала Волгоград. Развита троллейбусная и трамвайная сеть, имеется подземный участок линии скоростного трамвая. Ведётся строительство нового мостового перехода через Волгу.В районе имеется 6 Больших торгово-развлекательных центров, 5 ВУЗов, 3 спортивных сооружения.

Тракторозаводский район: занимаемая площадь: 54 км², третье место среди районов города. Население: 136 746 чел. (2002), четвёртое место среди районов города. Протяжённость дорог: 158 км.

С юга район примыкает к Краснооктябрьскому району Волгограда, на востоке разделён Волгой с городом Волжский, а с запада и севера граничит с Городищенским районом Волгоградской области. В северо-восточной части района начинается Волжская ГЭС с мостовым переходом на город Волжский (административно ГЭС относится к Волжскому).

В состав района входят посёлки Верхний, Верхнезареченский, Горный, ГЭС, Забазный, Замечётинский, Заречный, Латошинка, Линейный, Нижний Тракторный, Новая Спартановка, Спартановка, Сухая Мечётка и пгт Водстро

Основными доходообразующими отраслями в районе являются: промышленность, торговля и общественное питание, строительство, ЖКХ и транспорт. На территории Тракторозаводского района зарегистрировано свыше 5 тысяч предприятий различной формы собственности. Район активно застраивается объектами торговли и социально-бытового назначения.

С апреля 2005 года район перестал быть дотационным, что позволяет своевременно финансировать бюджетную сферу, повышать уровень благоустройства, развивать социальную сферу.

Годовой объем поступлений на 2006 год во все уровни бюджетов составляет почти 900 млн. рублей, в том числе в городской бюджет - около 347 млн. рублей.

В общей сумме расходов доминирующее положение занимают отрасли, обеспечивающие жизнедеятельность района - образование (45,5%), жилищно-коммунальное хозяйство (23%), здравоохранение (19,4%), социальная и молодежная политика (2,1%). [8]

Крупнейшие предприятия: ОАО «Тракторная компания «ВгТЗ», ОАО «Волгоградский алюминий», ОАО «Волгоградский кислородный завод», ОАО «Спецнефтематериалы», ЗАО «Тракторозаводский хлебокомбинат», ОАО «Волгоградская бисквитная фабрика», ОАО «РСУ ТЗР», ЗАО «ЖБИ-2».

Центры торговли: Тракторозаводский вещевой рынок, крупнейший в городе Торгово-развлекательный комплекс «Диамант» Торговый центр «Привоз».

Транспортное сообщение: Проспект им. Ленина. Через Тракторозаводский район проходят все три важнейшие дороги Волгограда - 1, 2 и 3 Продольные автомагистрали. Первая Продольная здесь совпадает с длиннейшей улицей города проспектом им. В.И. Ленина и улицей им. Николая Отрады и является самой оживлённой транспортной артерией.

Рис. 2. Местоположение Тракторозаводского района на карте города Волгограда

Краснооктябрьский район: занимаемая площадь: 34,2 км². Население: 153 тыс. чел., третье место среди районов города.

Краснооктябрьский район Волгограда граничит с Тракторозаводским, Центральным и Дзержинским районами города, а также с Городищенским районом Волгоградской области. Имеет выход к Волге и включает незаселённый остров Денежный на реке.

Включает посёлки Вишнёвая Балка, Мансардный, Нижние Баррикады, Северный, Тир.

Вузы: Волгоградская академия государственной службы, Волгоградский юридический институт, Филиал Российского государственного торгово-экономического университета, Филиал Всероссийского заочного финансово-экономического института, Филиал ННОУ Институт экономики и связей с общественностью, НОУ Современная гуманитарная академия, Волгоградский государственный экономико-технический колледж, Колледж профессиональных технологий, экономики и права Волгоградский государственный технический университет.

Промышленность: ЗАО Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь»

ФГУП ПО «Баррикады» ООО «Волгоградский завод буровой техники» ОАО «Молочный завод №3 «Волгоградский»

Рис. 3. Местоположение Краснооктябрьского района на карте города Волгограда

Дзержинский район: занимает площадь: 85,8 кмІ, население: 182,3 тыс. чел. Дзержинский район Волгограда граничит с тремя районами города, а также с Городищенским районом Волгоградской области. Граница с Центральным районом проходит по Второй продольной магистрали, с Ворошиловским - по реке Царица, с Краснооктябрьским - по линии московской железной дороги.

Торговые центры: Торгово-развлекательный комплекс «Парк Хаус», Торговый центр «МЕТРО», Гипермаркет «Real», Гипермаркет «Карусель», «Оптовый продовольственный рынок», «Казачий рынок», «Качинский рынок».

Вузы: Качинское высшее военное авиационное училище лётчиков, Академия Министерства внутренних дел РФ Московский институт международных экономических отношений (филиал), Волгоградский институт бизнеса Международный институт экономики и права (филиал), Московский институт права (филиал), Волгоградский колледж бизнеса, Волгоградский медицинский колледж Волгоградский социально-педагогический колледж, Волгоградский технологический колледж, Волгоградский торгово-экономический колледж.

Промышленность: ОАО «ВЭСТ-МД» (Волгоградский трубный завод), ОАО «Волгоградский завод железобетонных изделий №1», ОАО «Завод «Ахтуба», ООО «Волгоградский завод буровой техники», ОАО «Волгоградский моторостроительный завод», ЗАО «Волгоградский завод транспортного машиностроения» (Троллейбусный завод), ООО «Завод Нефтегазмаш», АОЗТ «Мотороремонтный завод «Волгоградский», ЗАО ПО «Завод силикатного кирпича», ЗАО «Завод силикатных и изоляционных материалов», ООО «Домостроительный комбинат», ООО «Аврора-ЭЛМА», ЗАО «ВААП», завод промышленной химии.



Рис. 4. Местоположение Дзержинского района на карте города Волгограда

Ворошиловский район: площадь района составляет 27,8 кв. км. Это один из самых маленьких районов Волгограда. Население самое маленькое среди всех районов города - 80,9 тыс. человек. Промышленность: Сталинградский элеватор в 1943 году, Кондитерская фабрика «Конфил», Пивзавод, Пивовар-живое пиво, Молочный завод Волгоградский, Хлебзавод №5, Волгоградский элеватор, Полиграфический комбинат «Офсет» (ОАО «Альянс «Югполиграфиздат»). Вузы: Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, Волгоградский Филиал Московского университета потребительской кооперации, Волгоградский филиал Российского Государственного открытого технического университета путей сообщения, Волгоградского государственного института искусства и культуры, Царицынский Православный университет преп. Сергия Радонежского.



Рис. 5. Местоположение Ворошиловского района на карте города Волгограда

Советский район: занимает площадь: 60 кмІ. Население: 100,1 тыс. чел. Советский район граничит с Ворошиловским (вдоль перегона ст. им. Максима Горького - Волгоград-2) и Кировским районами города, Городищенским районом области.

Промышленность: ОАО «Волгограднефтемаш» - один из крупнейших в стране производителей оборудования для нефтяной, нефтехимической и газоперерабатывающей промышленности, Цех строительного гипса ОАО «Гипс» является одним из самых мощных в этой отрасли в России, ОАО «Макарна», ОАО «Волгограднефтегеофизика», ОАО «Медтехника», ООО «Нижневолжскстройсервис», ООО «Компания СПТ».

Вузы: Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия, Волгоградский государственный университет, Волгоградский институт экономики, социологии и права, Волгоградский филиал Российского университета потребительской кооперации.



Рис. 6. Местоположение Советского района на карте города Волгограда

Красноармейский район: площадь территории района - 23 тысячи га (45% от площади города), протяжённость в длину составляет 35 километров. Площадь: 230 кмІ. Население: 175 тыс. чел. Район неофициально разбит на две части - доканальную и заканальную. Центр района - бульвар Энгельса находится в доканальной части.

Красноармейский район - промышленный район Волгограда. На его территории расположено множество заводов: ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», ОАО «Каустик», ООО «Завод технического углерода (Волгоград)», ОАО «Волгоградский судостроительный завод», ОАО «Красноармейский судоремонтный завод», ОАО «Волгоградский керамический завод», ОАО «Промстройконструкция», ООО «Волгоградский горчичный маслозавод «Сарепта», ООО «Северсталь-Метиз», Волгоградская ТЭЦ-2, ООО «Сарептская мельница», ГУП ВОСХП «Заря», ЗАО «Красноармейский хлеб».

Торговые центры: Торговый комплекс «Гурманъ» Торгово-рыночный комплекс «Привоз» Рыночный комплекс «Оазис».



Рис. 7. Местоположение Красноармейского района на карте города Волгограда

3. Обзор провайдеров Интернета и операторов Сотовой связи

Основными технологиями предоставления услуг Интернета являются dial - up, и набирающие популярность технологии широкополосного доступа Ethernet, xDSL. Также присутствуют операторы предоставляющие доступ с применением спутниковой связи, но из-за дороговизны оборудования для пользователей и высоких тарифов они занимают малую долю рынка. Помимо этого, услуги доступа в Интернет предоставляют и сотовые операторы с применением технологий, 3G, EV-DO. Существуют операторы, предоставляющие доступ в Интернет по технологиям WiFi, WiMAX, RadioEthernet, однако их сети носят фрагментарный характер и имеют малое число пользователей.

По информации сайта городской администрации [7] на территории г. Волгограда присутствуют такие Интернет-провайдеры как: «AnnexGroup», «Enter-Yes», «InterDa», «Skynet, «Вист он-лайн», «Волгоград-GSM», «Волгоградэлектросвязь», «Волгалинк», «Колабия-Телеком», «Спринт», «Университет-Телепорт», «Скай Линк - Волгоград» (ЗАО «Волгоградская Сотовая Связь») «ООО Связьинформ», «Волгоградэлектросвязь».

Данные операторы предоставляют услуги доступа в Интернет по dial - up, выделенным линиям по технологиям xDSL и Ethernet. Помимо этого провайдеры предоставляют услуги IP телефонии и услуги местной телефонной связи.

В сегменте операторов сотовой связи присутствуют 5 основных игроков: Би-Лайн - Волгоград, Мегафон - Поволжье, МТС - Волгоград, СМАРТС - Волгоград-GSM, Скай Линк - Волгоград (ЗАО «Волгоградская Сотовая Связь»)

Из них услуги 3G, в частности высокоскоростную передачу данных, предоставляют только 2 оператора. Применяются технологии WCDMA с HSDPA (Би-Лайн - Волгоград) и CDMAone - CDMA2000 (Скай Линк - Волгоград).

Остальные операторы ограничиваются только JPRS и EDGE. Однако, ввиду политики у операторов тройки (МТС, БиЛайн, Мегафон) построения сетей 3G в регионах, особенно в городах «милионниках», возможно в ближайшее время появление сетей 3G у МТС и МегаФона.

Основным игроком на рынке фиксированной связи Волгограда является местный филиал «Связьинвеста» - ОАО «Южная телекоммуникационная компания» (ЮТК). Ему принадлежат более 800 тыс. номеров фиксированной связи, компания занимает 92% этого рынка и планирует к 2008 году увеличить этот показатель до 95%. Кроме ЮТК, услуги фиксированной связи оказывают «Волготелком» (входит в группу компаний «Арктел»), ООО «СЦС Совинтел» (бренд - «Голден Телеком») и еще около 50 мелких компаний, которые имеют соответствующие лицензии.

Сегмент рыкна беспроводного широкополного доступа по технологиям WiFi, WiMAX, RadioEthernet поделен между компаниями Энфорта, Virgin Connect, Unitline, ПРОСТОР-Телеком.

Спутниковый Интернет представляют компнаии Raduga internet и IPnet.

4. Анализ инфраструктуры г. Волгограда и прогнозирование числа предполагаемых пользователей

Ввиду отсутствия «масштабного» сетевого оператора (провайдера), который предоставляет услуги широкополосной передачи данных, проект построение сети городского масштаба по технологии беспроводной связи IEEE 802.16 является вполне оправданным, и должен занять определенный сегмент рынка. Потенциальные клиенты выделяются на основе краткого описания инфраструктуры районов. В реальных проекта по развертыванию сетей связи проводятся более полные и всецело охватывающие маркетинговые изыскания и исследования рынка, нередко с социальными опросами. Однако, данная работа является учебной задачей и для неё можно обойтись только кратким анализом.

На основе кратного социально-промышленного и инфраструктурного анализа районов видно, что в основном в Волгограде сосредоточены крупные и средние промышленные предприятия, из сферы услуг можно выделить торгово-развлекательные комплексы, помимо этого присутствуют большое количество образовательных учреждений. Эти группы являются наиболее возможными потребителями услуг проектируемой сети среди корпоративных пользователей. Для данного класса характерны услуги доступа в интернет, предоставление в аренду каналов, телефония и видеоконференцсвязь. Эти услуги необходимо предоставлять как с применением политики резервирования пропускной способности на сети (абонентские каналы с QoS), так и без (абонентские каналы без QoS). (Существует различные интерпретации термина QoS - (качество обслуживания) Quality of Service, один из них, это - возможность предоставления различных сервисов любому из абонентов с заданным качеством, что может подразумевать под собой применение различных технологии, таких как IP/MPLS, DiffServ, Ethernet. В данной работе будут два термина QoS: абонентские каналы с QoS, и разделение сервисов по политике QoS. Первый подразумевает под собой программное резервирование части пропускной способности сети под канал для абонента, вне зависимости от занятости сети, активности абонента и т.п. Данный метод неэффективно расходует пропускную способность сети, но благодаря этому абоненту гарантируется высокое качество и доступность сервисов и услуг. Разделение сервисов по политике QoS определяется в части разграничения требований к сервисам. Например, для сервисов VoIP и передача данных характерны совершенно различные требования. Если телефония критична к задержкам (latency), колебанию задержек (jitter) и некритична к потери части пакетов, то для передачи данных необходимо полное отсутствие потерь пакетов, а задержка и jitter могут быть значительными. Логично, что эти требования можно осуществить путем добавления информации к пакетам, которая будет указывать как необходимо обрабатывать данный пакет.) Для бизнес сегмента будут предложены тарифные планы с не симметричными и симметричными скоростями. Другая группа потребителей - это физические лица. Согласно официальной статистике в г. Волгограде около одного миллиона жителей, однако количество домовых хозяйств, которые имеют доступ в интернет незначительно, а из них широкополосный доступ в Интернет имеют ещё меньшее количество. Соответственно основной задачей с позиции развертывания сети для физических лиц является предоставление услуг широкополосного доступа, в частности доступа в Интернет и VoIP. Эту группу должны формировать активные Интернет пользователи, которым недостаточно скорости мобильного Интернета и чей привычный объем потребления трафика плохо сочетается с дороговизной трафика сотовых операторов. Можно предположить, что массовое появление на рынке ноутбуков и портативной электроники с интегрированными WiMAX-модулями сделает эту группу пользователей основными потребителями услуг сетей стандарта 802-16.

Для физических лиц является не обязательным предоставления услуг с абонентскими каналами QoS, что позволяет существенно снизить стоимость абонентской платы и сделать тарифы более конкурентоспособными и повысить емкость сети. Все тарифные планы для сети должны иметь несимметричную скорость. Это определено тем, что основным сервисом будет Интернет, а для него характерна несимметричная передача данных. Загрузка канал вниз намного преобладает над каналом вверх.

Максимальное и оптимальное количество пользователей с заданными параметрами определяется на основе ЧТП рассмотренного ниже. Однако минимальные требования предъявляемые к сети являются следующими:

Сеть рассчитывается на не менее чем 1275 пользователей среди них:

Бизнес сегмент 60% - 725 абонентов:

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 2048/2048 5 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 1024/1024 10 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 512/512 15 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 128/128 20 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 2048/512 10 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 1024/256 20 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL и политикой QoS 512/128 30 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 2048/512 10 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 1024/256 20 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 512/128 30 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 128/128 50 абонентов

Пользователи VoIP 500 абонентов

Пользователи IPTV потокового видео, видеоконференцсвязи 5 абонентов

Сегмент физические лица 40% - 550 пользователей:

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 512/128 50 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 256/128 100 абонентов

Пользователи с полосой DL/UL без QoS 128/128 200 абонентов

Пользователи VoIP 200 абонентов

5. Процессы планирования сетей радиодоступа

Частотно-территориальное планирование широкомасштабных сетей WiMAX (в частности mobile WiMAX) во много схоже с планированием сотовых систем связи, как GSM, или транкинговой связи. Ниже приведены основные процессы в планировании сетей данных систем с учетом оптимизации их для нашей сети.

Основной задачей планирования является достижение максимального покрытия (coverage), емкости (capacity) и качества (quality), реализуемого в сети.

Процесс планирования в разделяют на три стадии:

· Предварительное планирование и расчет (Pre-Planning and dimensioning);

· Детальное планирование (detailed planning);

· Заключительное планирование и оптимизация (Post-Planning and optimization).

Таблица 1. Этапы частотно-территориального планирования

Предварительное планирование и расчет основных параметров	· Размещение сети · Элементы сети · Высоты антенн
Детальное планирование	· Топология · Покрытие - Емкость · Параметры
Заключительное планирование и оптимизация	· Поверка{Верификация} · Параметры · Контроль

На стадии предварительного планирования называемой также стадией расчета (dimensioning phase), производятся грубые оценки требуемого покрытия и емкости на заданной территории. Принимая во внимание эти оценки, определяют характеристики сетевого уровня, рассчитывают необходимые элементы сети, определяют количество требуемого оборудования, конфигурации сайтов базовых станций, высоты подвеса антенн. На данном этапе производят первоначальные вычисления энергетических показателей для каналов всех сервисов. Эти показатели представляются в виде таблицы, где отражены все потери на трассе между приемником и передатчиком, как в каналах вверх, так и в каналах вниз, учитывая все коэффициенты усиления, потери и шумы.

Далее переходят к стадии детального планирования (detailed planning phase), в которой допущения, сделанные на этапе предварительного планирования (стадии расчета), приобретают конкретные значения. На данной стадии выполняются более точные расчеты энергетических показателей канала, коэффициентов усиления антенн, затуханий в фидере, влияние на канал медленных замираний и т.д., для более точного описания системы.

Обычно данные расчеты называют планированием конфигурации (configuration planning).

Планирование покрытия обычно осуществляться при помощи моделей, таких как модель Окамура-Хата, COST 231, Уолфиш-Икегами, которые будут рассмотрены ниже.

Планирования топологии характерно применение ЭВМ и средств автоматического проектирования САПР.

Стадия заключительного планирования (post-planning) и оптимизации (optimization phase) является заключительным этапом планирования радиосети.

На этой стадии сеть построенная, по результатам планирования, проверяется при помощи экспериментальных измерений и тестирования.

Данная проверка может концентрироваться, например, на хендовере, или на покрытии в зонах преобладания (dominance areas). Если необходимо, то вносятся поправки в различные параметры или эти параметры настаиваются. Мониторинг сети также является важной задачей заключительного планирования. Безусловно, необходимо контролировать статистические данные, которые обычно называются ключевые индикаторы производительности КИП (key performance indicators, KPI), такие как нагрузка, разорванные и несостоявшиеся соединения для оптимизации сети

В предположении равномерного распределения абонентов в сети, равномерное и последовательное размещение сайтов было бы оптимальным. В реальных сетях распределение абонентов неравномерно, оно сконцентрировано в определенных зонах, например, офисные здания, торговые центры и т.д., в то время как в лесопарках и на подобной территории абонентов мало. Также вполне предсказуемо, что распределение пользователей будет меняться в течение дня. Можно применить некоторые практические ограничения в выборе местоположения сайта.

Размещение антенн на антенных мачтах не всегда приемлемо, особенно в центрах городов. Экономически более выгодно размещать антенны на крышах зданий. Соответствующие здания не всегда находятся в оптимальных точках, что ведет за собой размещение сайта в неоптимальном месте. Неоптимальное местоположение сайта в сети WiMAX (разница между оптимальным и его возможным местом установки) составляющее четверть расстояния между сайтами довольно слабо сказывается на эксплуатационных показателях сети. Хотя выбор местоположения сайта важная часть планирования, но не критично располагать сайты именно в расчетных местах. Вместо этого надо уделить большее внимание конфигурации самого сайта. Также можно добиться улучшения показателей сети путем настройки конфигурации антенн, их углов наклонов и высот подвесов.

6. Предварительное частотно-территориальное планирование сети

Согласно объемному заданию, зона обслуживания проектируемой сети это административная граница города Волгограда. Соответственно площадь ЗО 565 кв. км. Ввиду первоначального развертывания сети предполагается, что абоненты распределены равномерно на всей территории города, и исходящая от них нагрузка на сеть тоже распределяется равномерно. Это позволяет применить равномерное распределение сайтов по территории города. Возможно применение, как кластерной структуры так и произвольного распределения частот между сайтами. Однако, необходимо выполнение требований как внутри, так и внесистемной ЭМС. Что означает, необходимость превышения отношения сигнал / интерференция в местах расположения БС и АС.

Топология сайта предполагает применение 3-х секторных антенн, с механически регулируемыми углами подвеса, для последующей оптимизации.

Антенны преимущественно должны размещаться на трубостойках на крышах зданий, но возможно и размещение на Антенно-Мачтовых Сооружениях. Средняя высота подвеса составляет 10-20 метров.

Архитектура транспортной сети подразумевает логическое объединение БС в звезду. Центром сети является главный узел, где находится шлюз доступа к сети, и куда приходит магистральный канал. БС могут подключаться к сети как с помощью проводных средств (ВОЛС, уплотнение по тел. линии), так и по РРЛ.

7. Детальное планирование. Модели распространения, их основные характеристики и коэффициенты. Выбор оптимальной модели для проекта

Для определения количества БС, необходимых для удовлетворения требований по ЗО необходимо определить среднюю ЗО одной БС. Прогноз зоны радиопокрытия основан на вероятностном определении пространственного распределения интенсивности электромагнитного поля, создаваемого источниками радиоизлучения, с учетом присутствия всех препятствий, встречающихся на пути распространения радиоволн, с заданной точностью. Расчет интенсивности электромагнитного поля или медианного значения напряженности поля, в зависимости от пространственного расположения необходим для определения зон с устойчивым радиопокрытием (с определенной вероятностью) и решения проблем как внутри системных, так и внешних факторов ЭМС.

Методы расчета поля в условиях городской застройки существенно отличаются от методов расчета зон в пригородах и малонаселенных районах. Помимо этого, существуют различные модели распространения специализирующиеся на прогнозировании напряженности поля вне и внутри помещений.

Основным характерным отличием распространения волн в условиях городской застройки является многолучевое распространение сигнала, вызванное многочисленными переотражениями радиоволн, а также дифракцией.

Существуют два принципиальных подхода к прогнозированию зон радиопокрытия это статистический (эмпирические модели) и детерминированный методы анализа. Статистический подход в условиях статистически однородного города дают достаточно надежную информацию как о зонах потенциально уверенного приема, так и о зонах, занимающих достаточно обширную территорию, в пределах которой качество и надежность связи не гарантируется. Они всецело основываются на статистических данных и их апрокисмациях, наиболее известны такие модели как Хата, Окамура-Хата, COST 231, Уолкиш-Икегама.

Детерминированный метод основан на комбинации статистического метода и экспериментальных измерений. Данный метод более точно прогнозирует покрытие, ввиду проведения экспериментальных замеров напряженности поля, которые способствуют аппроксимации с наименьшей дисперсией медианного значения напряженности поля. Для применения этого метода необходимы мощные средства автоматического расчета САПР. К детерминированным моделям относятся такие модели, как модель Дейгоута, модель Биллингтона, модель Гиованелли, модель Эпштейна-Петерсона.

Рассмотрим основные эмпирические модели распространения в условиях городской застройки и их характеристики.

Модель Ли

Ли (англ. W.C.Y. Lee) предложил очень простую модель распространения сигнала, основанную на серии проведенных в США измерений на несущей частоте fс = 900 МГц. Согласно модели Ли, среднее значение мощности, измеренной на расстоянии d от передающей станции, описывается выражением:

	(3.1)

или в логарифмическом представлении:

	(3.2)
,	(3.3)

где - эталонная медианная мощность, измеренная на расстоянии = 1 км; - коэффициент затухания радиоволн; Медианные потери мощности в зависимости от частоты определяются коэффициентом и его показателем степени п. Для частот от 30МГц до 2 ГГц и расстояний между подвижной и базовой станциями от 2 до 30 км значение п лежит в диапазоне от 2 до 3. Величина п также зависит от топографических особенностей местности. Для пригородных и сельских районов рекомендуется выбирать п = 2 при частотах ниже 450 МГц и п = 3 при частотах выше 450 МГц. На пересеченной местности эффективная высота антенны может сильно отличаться от ее физической высоты;- поправочный коэффициент, вычисляемый на основе серии компонентных множителей.

Коэффициенты Fi рассчитываются следующим образом:

;	(3.4)
;	(3.5)
;	(3.6)
;	(3.7)
;	(3.8)

где эффективная высота антенны базовой станции (высота фазового центра антенны относительно уровня земли), м; - показатель степени: при высоте антенны подвижной станции менее 3 м принимается = 1, а при высоте более 10 м - = 2; - мощность сигнала, излучаемого передатчиком базовой станции, Вт; , - коэффициенты усиления антенн соответственно базовой и подвижной станции относительно полуволнового вибратора.

Параметры и получены экспериментально на основе проведенных замеров в различных типах окружающей среды - табл. 3.2.

Таблица 2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн от вида застройки

Среда распространения	Ослабление на удалении 1 км	Коэффициент затухания радиоволн ;
Свободное пространство	- 41	20,0
Сельская местность	- 40	43,5
Пригород	- 54	34,8
Город	От -60 до -80	От 30,0 до 45,0

Область применения модели ограничена следующими условиями:

· диапазон частот: 30МГц…2ГГц;

· высота антенны мобильной станции H_m:1…10 м;

· протяженность трассы d: 2…30 км.

Модель Hata

Модель Хата (англ. Hata) возникла в результате адаптации эмпирических формул к графикам, составленным Окамурой (1968, Токио, Япония) и его соавторами. Эти формулы хорошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах несущих частот на квазигладкой земной поверхности. Данная модель является одной из самых известных и используемых, применяется в основном для макросот.

Область применения модели ограничена следующими условиями:

· диапазон частот: 150МГц…1500МГц;

· высота антенны базовой станции H_b: 30…200 м;

· высота антенны мобильной станции H_m:1…10 м;

· протяженность трассы d: 1…20 км.

Для оценки затухания сигнала Хата предложил следующие эмпирические формулы:

	(3.9)

Где поправочный коэффициент, зависящий от плотности городской застройки, вида среды распространения и диапазона частот, - МГц, - метры, - км.

Для большого города:

для частот	(3.10)
для частот	(3.11)

Для малого и средне размерного города коэффициент принимает вид:

	(3.12)

Оценки затухания сигнала по модели Хата для пригорода следующие: поправочный коэффициент берется как для малого города, а затухание сигнала вычисляется по формуле:

	(3.13)

Оценки затухания сигнала по модели Хата для сельской местности следующая: поправочный коэффициент берется как для малого города, а затухание сигнала вычисляется по формуле:

	(3.14)

Представленные выше модели распространения сигнала позволяют оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше всего подходят для частот до 1,5 ГГц. Однако, выше данного диапазона ошибки в параметре затухания возрастают и формулы становятся менее пригодными. В связи с этим, для создания моделей распространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 были поставлены многочисленные эксперименты и проведено множество измерений. По причине большего затухания сигнала в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, традиционно применяемым в сотовой телефонии, основное различие между системой PCS и традиционной сотовой системой заключается в уменьшении размера сот. Исследования новых моделей распространения проводились в рамках проекта Европейского Союза COST №231. В результате в справочной литературе представлены, по крайней мере, две известные модели распространения, разработанные в рамках проектов COST:

модель COST231-Хата;

модель COST231-Уолфиш-Икегами.

Модель COST №231 Hata

Могенсен (англ. Mogensen) с соавторами предложил расширить модели Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц.

Область применения модели ограничена следующими условиями:

· диапазон частот: 150МГц…2000МГц;

· высота антенны базовой станции H_b: 30…200 м;

· высота антенны мобильной станции H_m:1…10 м;

· протяженность трассы d: 1…20 км.

Согласно этой модели, потери на трассе распространения в городе определяются по формуле:



	(3.15)

Где, поправочный коэффициент . А, корректирующий коэффициент = 3 дБ для плотной городской застройки и 0дБ для пригородов.

WiMAX Forum рекомендует использовать данную модель для моделирования распространения и частотно-территориального планирования систем с макростотами в городах и пригородах. Однако, WiMAX Forum рекомендует добавлять 10 дБ на запас по замираниям, чтобы учесть влияние затенения [5].

Модель COST №231 Уолфиш-Икегами

Модель Хата с расширением COST №231 применяется для моделирования условий распространиния в макросотах, где минимальный радиус зоны покрытия 1 км. Модель Уолфиш-Икегами позволяет вести расчет для микросот, с радиусами меньше 1 км. WiMAX Forum рекомендует использовать данную модель для моделирования микростотового распространения [5].

Область применения модели ограничена следующими условиями:

· диапазон частот: 800МГц…2000МГц;

· высота антенны базовой станции H_b: 4…50 м;

· высота антенны мобильной станции H_m:1…3 м;

· протяженность трассы d: 0.2…5 км.

Формула, описывающая потери сигнала, состоит из трех членов: потерь на распространение в свободном пространстве; потерь на дифракцию и рассеяние волн на крышах зданий; потерь вызванных многократной дифракцией от рядов зданий.

Суммарные потери рассчитываются по формуле



	(3.16)

Модель представляется аналитическим выражением, которое можно адаптировать под различные условия. Например для случая, отсутствия прямой видимости NLOS, с типичными параметрами для городской застройки как, 12.5 м - высота подвеса антенн БС, средней этажностью в 12 м, расстояние между знаниями около 50 метров и высотой МС 1,5 м формула выглядит следующим образом:

	(3.17)

В случае применения данной подмодели для системы WiMAX, WiMAX Forum рекомендует добавлять 10 дБ на запас по замираниям.

В случае прямой видимости LOS, модель для «городского каньона», т.е. высоты подвеса антенн соизмеримы с уровнями крыш, плотная городская застройка:

	(3.18)

Данная модель широко используется Международным телекоммуникационным союзом (ITU) в качестве стандартной модели для универсальной системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000.

Erceg модель

Данная модель была получена путем огромного числа экспериментальных исследований в диапазоне 1.9 ГГц в 95 макросотах. Измерения проводились в густонаселенных районах таких городов как Нью Джерси, Сеэтл, Чикаго, Атланта, Даллас. Данная модель наиболее выгодна для расчета фиксированных беспроводных сетей и одобрена WiMAX Forum [5] для расчета фиксированной сети.

Область применения модели ограничена следующими условиями:

· диапазон частот: 1900МГц…3500МГГц;

· высота антенны базовой станции H_b: 10…80 м;

· высота антенны мобильной станции H_m:2…10 м;

· протяженность трассы d: 0.1…8 км.

Суммарные потери рассчитываются по формуле:

	(3.19)

Где,

	(3.20)
	(3.21)
	(3.22)
, где	(3.23)

Энергетические параметры канала в системе IEEE 802.16

Технология WiMAX имеет наивысшие в классе BWA энергетические параметры канала связи, что обеспечивает заданную высокую скорость передачи данных (пропускную способность) на самой большой дальности и наоборот, на заданной дальности сеть WiMAX имеет самую высокую пропускную способность. Тем самым, системы WiMAX обеспечивают самую высокую плотность потока данных, измеряемую на один кв. км покрываемой территории. Высокая пропускная способность систем WiMAX достигается за счет возможности поддержки на больших дальностях высокой символьной скорости вследствие высокой энергетики системы. Символьная скорость, часто называемая также скоростью модуляции, характеризует скорость передачи информации (данных) на физическом (радио) уровне сети и представляет собой скорость передачи последовательности символов, реализуемая модуляцией сигнала. Так, например, скорости модуляции в 11 и 54 Mб/с в системах Wi-Fi стандарта IEEE 802.11a/g - это символьные скорости. Реальные скорости передачи данных, измеряемые на канальном и транспортном уровнях сети, значительно меньше символьных скоростей, вследствие помехоустойчивого кодирования. Энергетика системы определяется значением параметра системного выигрыша SG (System Gain).

Системы на основе стандарта IEEE 802.16 поддерживают различные типы модуляции, и каждый из них характеризуется требуемым уровнем отношения сигнала к шуму SNR, необходимому для передачи бит информации с ошибками Bit Error Rate (BER) не выше некоторого допустимого уровня.

Для систем WiMAX стандарт IEEE 802.16 определяет максимально допустимый уровень битовой ошибки равный BER= (процент приема ошибочных бит информации не более 0,005%). При данном уровне ошибок система WiMAX способна поддерживать с требуемым качеством самый критичный к ошибкам сервис цифровой телефонии (сервис TDM).

Стандарт IEEE 802.16-2004 определяет для поддержки модуляции 64QAM3/4 на уровне ошибок не выше BER= c учетом коррекции ошибок FEC=3/4 значение отношения сигнал/шум для OFDM сигнала равно 24.4 дБ. Для поддержки остальных более низких типов модуляции требуются, соответственно, более низкие значения ОСШ. Более поздний стандарт IEEE 802.16e-2005 задает для фиксированных WiMAX OFDM более низкое значение ОСШ=21 дБ для 64QAM3/4 с BER=, и ОСШ = 20 дБ для 64QAM3/4 для мобильных сетей WiMAX OFDMA. Для поддержки самой низкой модуляции BPSK1/2 стандарт IEEE 802.16e-2005 определяет требуемый ОСШ равный 3 dB.

Отметим, что стандарт IEEE 802.16e-2005 описывает требования не только к мобильным OFDMA сетям WiMAX, а также содержит новые требования к фиксированным OFDM сетям WiMAX.

Для получения требуемого уровня ОСШ мощность сигнала на входе приемника системы должна быть выше соответствующего для того или иного типа модуляции порогового уровня чувствительности.

Пороговый уровень чувствительности Rx приемника для систем OFDM с модуляцией, 64QAM3/4 выраженный в дБ определяется как:

дБВт,	(3.24)

где требуемый уровень отношения сигнал/шум для модуляции 64QAM3/4;

дБ - Спектральная плотность мощности теплового шума приемника, kTo - закон равномерного распределения;

- значение собственного шума приемника (noise figure) равное 8 дБ (IEEE 802.16e-2005). Ранее считалось, что = 6 дБ, в также = 7 дБ по стандарту IEEE 802.16-2004.

Значение IL равно 5 дБ. Эта величина отражает так называемые потери реализации, учитывающие не идеальность приемника, ошибки квантования, фазовый шум и др.

- эффективная ширина спектра группового OFDM сигнала. Эта величина пропорциональна количеству используемых поднесущих в спектре группового сигнала. За счет наличия защитного интервала между поднесущими эффективная ширина спектра OFDM сигнала несколько больше ширины канала BW. Для канала шириной 10 МГц без применения метода работы только на подканале (subchannelization) = 11.52 МГц, 10 log () = 10.61 дБ.

Значит,



дБм	(3.25)

Тем самым, требуемый для поддержки модуляции 64QAM3/4 пороговый уровень чувствительности системы WiMAX OFDM стандарта IEEE 802.16e-2005 при IL 5 dB c шириной канала 10 МГц составляет - 69.4 дБм, при ОСШ 64QAM3/4 = 21 дБ. Для мобильного WiMAX OFDMA по стандарту IEEE 802.16e-2005 требуемое отношение ОСШ 64QAM3/4 = 20 dB и, соответственно, -70.4 дБм. По стандарту IEEE 802.16-2004 эта величина ранее составляла -68 дБм при ОСШ 64QAM3/4 = 24.4 дБ. Отметим, что приведенные выше значения чувствительности справедливы для приемника мобильного WiMAX, не использующего технологию разнесенного приема MIMO.

Приведем согласно данному расчету все минимальные чувствительности на основе стандарта IEEE 802.16-2004:

Таблица 3. Для канала 3.5МГц

Тип модуляции и помехоуст. кода	BPSK-1/2	QPSK-1/2	QPSK-3/4	QAM16-1/2	QAM16-3/4	QAM64-2/3	QAM64-3/4
Минимальная пороговая чувствительность	-91дБм	-88дБм	-86дБм	-81 дБм	-79 дБм	-74 дБм	-73 дБм

Таблица 4. Для канала 7МГц

Тип модуляции и помехоуст. кода	BPSK-1/2	QPSK-1/2	QPSK-3/4	QAM16-1/2	QAM16-3/4	QAM64-2/3	QAM64-3/4
Минимальная пороговая чувствительность	-86дБм	-83дБм	-81дБм	-76 дБм	-74 дБм	-69 дБм	-68 дБм

Таблица 5. Для канала 10МГц

Тип модуляции и помехоуст. кода	BPSK-1/2	QPSK-1/2	QPSK-3/4	QAM16-1/2	QAM16-3/4	QAM64-2/3	QAM64-3/4
Минимальная пороговая чувствительность	-91дБм	-88дБм	-86дБм	-81 дБм	-79 дБм	-74 дБм	-73 дБм

Стоит учесть что, данная чувствительность приведена для с BER=. Таким образом, для поддержки некоторой модуляции уровень OFDM сигнала на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) в полосе пропускания канала BW должен превышать соответствующий этой модуляции уровень чувствительности, что равносильно тому, что входной сигнал на величину отношения сигнал/шум превышает уровень теплового шума с учетом внутреннего шума приемника и потерь реализации.

Соответственно, для поддержки модуляции 64QAM3/4 уровень OFDM сигнала на входе приемника Receive Strength Signal Level (RSSL) должен быть для систем WiMAX согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 не ниже уровня чувствительности -69.4 дБ (SNR64QAM3/4=21 дБ) в полосе ширины канала BW=10 МГц.

Реальные системы WiMAX обычно имеют более высокий по сравнению с требованиями стандарта уровень чувствительности, поскольку значение потерь реализации implementation loss 5 дБ в стандарте несколько завышено. Например, чувствительность базовой станции системы Airspan MicroMAX SOC 5 GHz в канале шириной 10 МГц для 64QAM3/4 составляет -76 дБм (при SNR64QAM3/4 = 21 дБм), что соответствует практически идеальному приемнику (Implementation loss близко к нулю) при уровне собственных шумов noise figure равном -5 дБ. Чувствительность системы Axxcelera AB-MAX 5 GHz в канале шириной 10 МГц для 64QAM3/4 составляет 72.7 дБм. Чувствительность системы (абонентского терминала) UNIDATA MAXBridge CPE 5 GHz (стандарт IEEE 802.16e-2005) составляет 70.5 дБм.

В принципе, система может поддерживать модуляцию 64QAM3/4 и при значительно (на несколько дБ) более низких значениях сигнала, но при этом уровень битовой ошибки будет хуже значения BER==.

Системы preWiMAX также как и WiMAX имеют близкие требования к ОСШ для поддержки модуляции QAM. Однако вследствие использования более широкого спектра (обычно 20 МГц) и наличия более высоких потерь реализации приемника уровни чувствительности систем preWiMAX обычно на 5-10 дБ хуже систем WiMAX.

Так одна из лучших систем на базе чипсета 802.11a, обеспечивающая передачу TDM трафика в топологии точка-точка (PtP), имеет пороговую чувствительность -65 дБ м для канала BW=10 МГц, -62 дБм для BW=20 МГц (BER не ниже =). Следует отметить, что в спецификациях систем Wi-Fi и preWiMAX можно встретить другие более высокие цифры чувствительности, нередко превышающие теоретический предел. Однако подобные данные либо справедливы для более низкого уровня ошибок, например, BER=., либо просто завышены малоизвестными производителями по маркетинговым мотивам.

Методика расчета дальности связи в системе IEEE 802.16

Каждая система характеризуется параметром, называемым системным выигрышем System Gain, определяющим максимальную дальность связи. Системное выигрыш определяется как:

,	(3.26)

где - выходная мощность передатчика системы; - чувствительность приемника системы.

Тем самым, системы WiMAX имеют на 5-10 дБ выше системное усиление в отличие от систем preWiMAX (при равенстве значений выходной мощности передатчика).

Для расчета дальности связи используют уравнение бюджета канала связи Link Budget формула 3.27. Данное уравнение связывает уровни мощности на входе приемника и выходной мощности передатчика, находящихся друг от друга на расстоянии d:

ДБм,	(3.27)

где - выходная мощность передатчика, дБм;

- коэффициент усиления антенны передатчика, dBi (мера характеризующая логарифмическое отношение максимума ДНА направленной антенны к ДНА изотропной антенны);

- коэффициент усиления антенны приемника, dBi;

- СВЧ потери мощности сигнала, соответственно, в приемнике и передатчике, в фидере, разъемах и др.;

- потери в dB на пути распространения радиоволн на дальность d км.

Например, в простейшем случае, в условиях LOS (наличия прямой видимости) в сельской местности потери мощности сигнала на распространение можно рассчитать по формуле 3.28, ослабления в свободном пространстве:

, где - длина волны.	(3.28)

Однако для реальных случаев, необходимо применение более сложных моделей, например одной из рассмотренных в 3.6.1

В условиях NLOS потери рассчитываются по более сложным формулам.

Поскольку система поддерживает связь на модуляции 64QAM3/4, если уровень сигнала на входе приемника будет выше уровня чувствительности , то согласно выражению Link Budget 3.27 для этого необходимо, чтобы выполнялось формула 3.29:

дБм ,	(3.26)

где FM - запас по замираниям (от англ.fade margin).

В реальных системах вследствие замирания сигнала из-за многолучевого распространения радиоволн, характерно в условиях городской застройки, обычно требуется, чтобы уровень сигнала RSSL превышал уровень чувствительности сигнала на некоторую величину, называемую запасом по замираниям Fade Margin (FM). В системах WiMAX для поддержки модуляции 64QAM3/4 сигнала OFDM достаточно запаса fade margin равное 1 дБ.

Таким образом, для работы на дальности в d км, потери распространения радиоволн должны быть меньше величины стоящей справа от неравенства 3.27:

	(3.27)

Таким образом, чем выше System Gain системное усиление и меньше требуемый запас по замираниям Fade Margin, тем больший бюджет радиолинии имеет система и соответственно, тем больше дальность связи.

Как было отмечено, системы WiMAX имеют на 5-10 дБ выше System Gain по сравнению с системами PreWiMAX. Кроме того, OFDM сигнал preWIMAX системы имеет значительно меньшее число поднесущих. Также не применяется механизм циклического продолжения и полностью отсутствует защитный интервал что сказывается на обработке многолучевого распространения сигналов. Это приводит к низкой эффективности обработки замираний системами preWIMAX и, как следствие, необходимости больших запасов по замираниям fade margin, равными 6 дБ в условиях LOS (при наличии зоны Френеля) и 12 дБ при наличии оптической видимости (near LOS, полное или частичное отсутствие зоны Френеля).

Таким образом, системы WiMAX имеют бюджет радиолинии Link Budget на 10-20 дБ больше, нежели системы preWiMAX.

Системы WiMAX фиксированного доступа имеют еще одно очень важное технологическое новшество, связанное с применением OFDM радиосигнала, никогда ранее до появления сетей WiMAX не использовавшееся. Речь идет о так называемой технологии sub-channelization, когда абонентские устройства могут использовать для канала связи вверх не все доступные в канале поднесущие, а только некоторую часть из них. В частности минимальное количество поднесущих канала связи вверх составляет одну шестнадцатую часть полного набора поднесущих. При применении sub-channelization используемая часть поднесущих обеспечивает требуемую для абонента скорость передачи данных UL восходящего канала, требования по скорости к которой в типовых приложениях обычно ниже чем для DL нисходящего канала. При этом ширина UL канала становится значительно меньше ширины канала с полным набором поднесущих, что увеличивает энергетику UL канала максимально на 12 дБ.