Расчет отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Расчет радиосигнала»

Оглавление

Введение

Техническое задание

1. Расчет отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум

1.1 Тепловые шумы на входе приемника

1.2 Отношение сигнал-шум на входе приемника

1.3 Интерференционные помехи на совпадающих частотах

2. Частотно-территориальное планирование

3. Расчет телефонного трафика

4. Выбор оборудования мобильных и базовых станций

Заключение

Список литературы

Введение

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

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

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

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

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

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

Техническое задание

№ варианта	12
площадь, км2	780
число жителей, тыс. человек	350
Процент охвата СПР, %	25
Высота антенны БС, м	190
Высота антенны МС, м	2,7
Диапазон частот, МГц	1800
Профиль трассы, наклон (угол)	-12,5
Тип местности	Холмы-равнина
Протяженность трассы R, км	40
Пересечение водной поверхности (ближе к)	0,4БС
Тип застройки	А
Эффективная ширина шум. пр-ка, кГц	33
Коэффициент усиления БС, дБ	8
Коэффициент усиления МС, дБ	8
Плотность автомобильного трафика (ПАТ)	450

На основании приведенных выше характеристик радиоканала необходимо произвести следующие расчеты:

· выбор и обоснование модели для прогнозирования уровня радиосигнала

· расчет уровня радиосигнала в точке приема на основе выбранной модели

· расчет отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум

· расчет зоны покрытия

· модель кластера

· частотно-территориальный план

· выбор оборудования базовой станции и используемых антенн.

Для квазигладкой местности уровень УММС:

(1)

где - дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное значение), определенное для квазигладкого городского района при базовых высотах антенн;

- коэффициент «высота - усиление антенны БС», учитывающий, что высота антенны БС может отличаться от значения 200 м;

- коэффициент «высота-усиление антенны МС», учитывающий влияние реальной высоты антенны МС.

- уровень мощности сигнала.

Рассчитаем значение каждого слагаемого, входящего в (1 найдем величины , и для частоты , высоты БС , высоты МС .

а_М(, r)= 28 дБ;

H₁(h_1, r)= -1 дБ;

H₂(h_2, )=-1 дБ.

Рисунок 1 - Медианное ослабление сигнала на городских трассах



Рисунок 2 - Коэффициент «высота-усиление БС»

Рисунок 3 - Коэффициент «высота-усиление АС»

Уровень мощности сигнала:

2)

где V(t) - множитель ослабления поля свободного пространства,

- уровень мощности сигнала в точке приема при распространении в свободном пространстве:

3)

где - уровень мощности передатчика БС;

- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно, выраженные в децибелах;

- потери в фидере передающей и приемной антенны соответственно;

- ослабление свободного пространства:

4)

где r - протяженность трассы; л - рабочая длина волны.

дБ

Примем ослабление в фидерах антенных устройств равным дБ. Подобное допущение можно сделать в том случае, если длина фидерного тракта БС достаточно мала.

Коэффициенты усиления передающей и приемной антенн по ТЗ одинаковы и равны 8 дБ. Уровень мощности передатчика выберем 40 дБм.

Подставив численные значения в (3) получим:

дБм.

Для того чтобы вычислить множитель ослабления поля свободного пространства требуется определиться с типом трассы. Т.к. в ТЗ этот параметр не указан, будем считать, что трасса является открытой. Для высоты антенны БС равной 190 м такое допущение вполне оправданно. В связи с тем, что местность, для которой ведется расчет, является холмистой равниной можно говорить о том, что, хоть поверхность и не является абсолютно гладкой и плоской, коэффициент все же ближе к единице. Примем его равным 0.6. Для открытой трассы относительный просвет . Точное его значение не известно, поэтому примем его равным единице.

Множитель ослабления поля свободного пространства определяется из формулы:

где .

дБ

Подставив значения и в формулу (2) получим:

дБм.

Зная можно вычислить :

дБм.

Модель Окамуры применима только для «квазигладкой» поверхности, поэтому требуется ввести ряд поправочных коэффициентов для того чтобы получить значения, соответствующие местности, описанной в ТЗ:

5)

где - поправочный коэффициент для пригородной зоны и открытой местности; - поправочный коэффициент для трассы с наклоном; - поправочный коэффициент для участка «земля-море»; - поправочный коэффициент для холмистой местности.

В пригородной зоне потери сигнала при распространении меньше, чем в городе, поскольку в ней ниже здания и меньше препятствий. Как установил Окамура, эти потери уменьшаются с ростом частоты, то есть коэффициент растет. Примем значение дБ.

Рисунок 4 - коэффициент для открытой местности

Под трассами с наклоном подразумевают трассы, на которых рельеф плавно понижается (или повышается) на расстоянии 5 км и более. В этом случае дополнительный рост или потери мощности сигнала при его распространении нужно учитывать с помощью коэффициента . Кривая 2 на рисунке 5 соответствует трассам длинной более 30 километров. Для значения коэффициент дБ

.

Рисунок 5 - коэффициент для наклонной поверхности

Мощность сигнала возрастает, если трасса пересекает водную поверхность. Коэффициент зависит от отношения b=r_в/r, где r_в - протяженность трассы над водой. В соответствии с ТЗ b=0.4. Линия 2 соответствует ситуации, когда вода ближе к БС. Воспользовавшись зависимостями было получено значение дБ.

Рисунок 5 - коэффициент «земля-море»

При распространении сигнала над холмистой поверхностью потери распространения увеличиваются по сравнению со случаем квазигладкой местности. Условие квазигладкой поверхности нарушается при ?h > 20. Для холмистой равнины поправочный коэффициент ?h = 40…80. Из графика на рисунке 6 (кривая 2) находим дБ.

Рисунок 6 - коэффициент влияния холмистой местности

Учитывая все сказанное выше, подставим значения поправочных коэффициентов в (5):

дБм.



1. Расчет отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум

1.1 Тепловые шумы на входе приемника

Мощность тепловых шумов приемной установки, пересчитанных к входу приемника:

8

где - коэффициент шума приемника; - постоянная Больцмана; - температура входной цепи; - эффективная ширина шумовой полосы приемника.

Уровень мощности теплового шума

9)

Полагая, что

, дБ (10)

дБм/Гц (при = 290К),

получим:

11)

где - значение , выраженное в килогерцах. Значение коэффициента шума приемника в ТЗ не указано, выберем его равным = 15 дБ. Подставим значения и в (11):

дБ.

1.2 Отношение сигнал-шум на входе приемника

Отношение сигнал-шум на входе приемника вычисляется по следующей формуле:

12)

На границе зоны покрытия должно выполняться условие:

13)

где - радиус зоны покрытия; - допустимое значение отношения сигнал-шум. В ТЗ значение этого параметра не оговорено, поэтому выберем его равным дБ. = 5 ...10 дБ - энергетический запас. Выберем = 10 дБ.

На основании (12) и (13) запишем минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия:

14)

дБм.

Для оценки чувствительности используем минимальное допустимое значение мощности радиосигнала на входе приемника. Так как в ТЗ не оговорены параметры антенны МС, примем ряд допущений: приемная антенна МС - диполь; антенна и входная часть приемника согласованы; сопротивление входной цепи приемника Ом.

На антенне наводится напряжение

15)

где Е - напряженность поля радиосигнала, В/м.

При согласовании сопротивлений антенны и входной цепи приемника мощность сигнала на входе

16)

Подставив (15) в (16), получим:

17)

Уровень мощности сигнала на входе приемника, выраженный в децибелах по отношению к 1 мВт,

18)

где - напряженность поля, мкВ/м; дБ - коэффициент, учитывающий изменение размерности мощности (переход от Вт к мВт);

дБ - коэффициент, учитывающий изменение размерности напряженности поля (переход от В/м к мкВ/м);

дБ.

Подставив указанные численные значения в (18), получим:

 19)

где f - несущая частота, МГц, Е_МКВ - выражено в мкВ/м.

Выразим из (19) напряженность поля:

20)

Подставив (14) в (20), вычислим напряженность поля на границе зоны покрытия:

мкВ.

1.3 Интерференционные помехи на совпадающих частотах

Для того чтобы определить влияние ближайших базовых станций на мобильную станцию будем рассматривать наихудший случай, когда МС находится на границе зоны обслуживания. Расчет будем вести для сети с кластером N = 7. Схематичное расположение МС относительно БС представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Местоположение мешающих станций

Для упрощения расчетов будем считать модель сети однородной. Для такой модели характерны одинаковые значения эквивалентной изотропной мощности (ЭИИМ), антенны с круговой диаграммой направленности (ДНА) и одинаковыми высотами. Энергетические параметры всех МС также одинаковы. Поляризация радиоволн и условия распространения на всей обслуживаемой территории примем одинаковыми.

Расстояние между соседними БС:

21)

Расстояние между БС с одинаковыми частотами в соседних кластерах:

где .

Воспользовавшись простейшими геометрическими правилами вычислим расстояния от МС до семи ближайших БС с одинаковыми частотами (R₇ - станция, обслуживающая в настоящий момент абонента):

;	(23.1)
;	(23.2)
;	(23.3)
;	(23.4)
;	(23.5)
;	(23.6)
.	(23.7)

Подставив в формулы (23.1)…(23.7) численные значения получили:



км;
км;
км;
км;
км;
км;
км.

Повторив вычисления мощности сигнала для радиуса соты равного одному километру получили значения мощности принимаемого сигнала от каждой БС:

БС1: Вт;
БС2: Вт;
БС3: Вт;
БС4: Вт;
БС5: Вт;
БС6: Вт;
БС7: Вт.

Суммарная мощность сигнала от шести смежных БС:

;	(24)
Вт.

Отношение сигнал-интерференция найдем по формуле:

,	(25)

где - медианная мощность полезного сигнала, - медианная мощность суммарного мешающего сигнала (СМС).

дБ.

приемник частота телефонный мобильный

2. Частотно-территориальное планирование

Применение эффективной модели кластеров позволяет уменьшить число частотных групп на территории при уменьшении числа мешающих сигналов. В соответствии с ТЗ тип застройки соответствует деловому району с высотными знаниями, а значит, для увеличения отношения сигнал-интерференция выберем шестисекторное построение соты.

Рисунок 8 - Эффективная модель кластера для секторной структуры при б = 60⁰

При таком построении кластер включает 12 групп частотных каналов. Каждая частота дважды повторяется в пределах модели, состоящей из четырех типов БС. На МС приходят три мешающих сигнала.

Рисунок 9 - Положение мешающих станций

Из справочных данных известно, что расстояния от мешающей БС до МС:

;

;

.

Рисунок 10 - вероятность установления связи на заданной территории

Пересчитаем значение отношения сигнал - интерференция для новых условий:

км;

км;

км.

Вт;

Вт;

Вт.

Суммарная средняя мощность мешающего сигнала по (25) составляет:

Вт.

Отношение сигнал-интерференция с учетом ослабления сигнала от боковых станций на 20 дБ:

дБ.

Видно, что использование направленных антенн с подобной поляризацией несет существенный выигрыш в отношении сигнал-интерференция.

3. Расчет телефонного трафика

По ТЗ, площадь 780 км² , число жителей 350 тыс. человек, из них пользуется услугами сотовой связи только 25%, а значит расчет следует вести для 87 тыс. жителей.

Предположим, что сотовой сети выделено 36 частотных каналов, тогда максимальное число частотных каналов в одном секторе

Общее число физических каналов в секторе, с учетом временного разделения:

Из них 2 канала выделяется на передачу сигнализации (каналы управления). Для передачи трафика остаются = 12 каналов.

По формуле Эрланга найдем общий трафик в секторе , взяв вероятность отказа в час наибольшей нагрузки = 0.03 = 3%.

26)

В соответствии с таблицами Эрланга, при =0.03 получаем =15.77 Эрл.

Число абонентов, приходящихся на 1сектор

,

где = 0.03 Эрл - Средняя нагрузка одного абонента в ЧНН.

чел.

Площадь сектора:

км².

Число секторов в городе:

.

Максимально возможное число абонентов сети:

.

Из полученных результатов следует, что построенная сеть в состоянии обслужить заданное количество пользователей.

4. Выбор оборудования мобильных и базовых станций

В качестве базовых станций было решено выбрать БС EVOLIUM™ A9100 компании Alcatel [3]. Эта БС спроектирована таким образом, чтобы обеспечить превосходное качество услуг за счет высококачественной передачи радиосигнала и сведенных до минимума прерываний в сервисе, а также чтобы сделать возможным использование всех новейших достижений: расширение и секторизацию сот, внедрение новых и будущих технических характеристик. Отличительными чертами базовых станций EVOLIUM™ A9100 являются:

Высокому качеству радиопередачи, а именно:

высокой чувствительности приема, -111 дБм,

скачкообразной перестройке частоты и разносу антенны,

минимальным прерываниям в сервисе.

Модульная структура стоек наружной установки обеспечивает гибкость - возможность подсоединения оборудования, не входящего в основной комплект (блоки передачи, аккумуляторы и т.п.).

Основные характеристики БС EVOLIUM™ A9100 сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Основные характеристики БС EVOLIUM™ A9100

Базовая станция EVOLIUM™	Внутренней установки	Внешней установки
Размер стойки	mini	medi	mini	medi
Источник питания - напряжение	48 V DC/-60 V DC ± 20 % 230 V АС ± 15% (особые конфигурации)	230 V АС ± 15 % 380 V АС ± 15 %
Типичный расход энергии BTS полностью оборудованная - ТХ полная мощность передачи с 35-W каналами TRXs	GSM 900 710 В GSM 1800 910B	GSM 900 1970 В GSM 1800 2570 В	GSM 900 920 В GSM 1800 1140 В	GSM 900 2500 В GSM 1800 3200 В
Максимальный расход энергии BTS полностью оборудованная-ТХ полная мощность передачи Полный заряд батареи и 50% подогрева без опций с 35-W каналами TRXs	N/A	N/A	GSM 900 1860 В GSM 1800 2080 в	GSM 900 3720 В GSM 1800 4400 в
Габаритные размеры стойки	92х60х45	194х60х45	150х120х70	150х180х70
Вес стойки	115 кг	270 кг	285 кг	485 кг

Заключение

Результатом курсового проектирования является система сотовой связи со следующими характеристиками:

Усредненный уровень мощности сигнала с учетом поправочных коэффициентов равен - 65.8 дБм, что является очень хорошим показателем для системы.

Сота имеет шестисекторную структуру и радиус 3 км. Благодаря выбору такой системы удалось обеспечить высокое отношение сигнал-интерференция ( дБ), а также ограничиться 36 частотными каналами для обеспечения связью 87 тыс. человек.

Список литературы

1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2002

2. Руфова А.В. Частотно-территориальное планирование сетей подвижной связи: учеб. Пособие (спец. 201200) / СПбГУТ, 2002.

3. EVOLIUM™ A9100 Базовая станция. Описание продукта.

4. В.Г. Карташевский, С.Н. Семенов, Т.В. Фирстова Сети подвижной связи. - М.: Эко - Трендз, 2001.

5. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

Размещено на Allbest.ru