Построение базовых станций в г. Волгограде

Для повышения дальности связи необходимо повышать энергетику, как со стороны базовой станции, так и со стороны абонента. Повышение выходной мощности базовой станции не является серьезной проблемой, а вот увеличение выходной мощности абонентского терминала имеет ограничения. Поэтому применение механизма sub-channelization, повышающего энергетику абонентского терминала, является одним из мощных инструментов, также позволяющих значительно увеличивать дальность связи систем WiMAX.

В целом, благодаря более высоким энергетическим параметрам система WiMAХ при прочих равных условиях имеет в два-четыре раза большую дальность связи на одной и той же символьной скорости по сравнению с сиcтемами preWiMAX. А если учесть спектральную эффективность, то системы WiMAX обеспечивают более чем в два раза большую скорость передачи данных на дальности в два-четыре раза большей по сравнению с системами preWiMAX.

Формирования зон обслуживания. Зона обслуживания одной БС

При выборе стандарта беспроводной сети связи и построении зон обслуживания основной целью является обеспечение максимально возможной телекоммуникационной нагрузки (телетрафика). Практическое развертывание системы на местности предусматривает решение следующих задач:

· охват системой максимальной площади покрытия;

· качественное обслуживание возможно большего числа абонентов.

В зависимости от типа и назначения беспроводной сети связи методика решения задачи организации телетрафика будет различной. Однако основные принципы построения являются общими для любой системы. Так, например, основу трафика транкинговой мобильной системы составляет нагрузка, формируемая совокупностью разговорных групп, обслуживаемых одним сайтом. Для территориальной (сотовой) радиосистемы нагрузка создается совокупностью MS, обслуживаемых системой базовых станций BS. Таким образом, зона обслуживания формируется как совокупность нескольких телекоммуникационных ячеек (ТЯ), граничащих одна с другой, создавая общую площадь покрытия.

Границы каждой соты определяются электромагнитным взаимодействием между BS и группой MS, обеспечивающим выполнение условия связности. Качество обслуживания в беспроводной (мобильной) системе связи обеспечивается достаточным количеством каналов радиосвязи (рабочих частот) и возможностью их быстрой замены при снижении надежности радиосвязи в процессе движения MS. Однако, проектирование больших зон обслуживания при ограниченном радиочастотном спектре, выделяемом беспроводной (мобильной) системе, возможно только при повторном (неоднократном) использовании одинаковых рабочих частот. Это обуславливает появление значительных уровней взаимных помех между радиостанциями. Обеспечение связности в зоне обслуживания оказывается возможным только при правильном пространственном разносе сот с повторяющимися рабочими частотами. Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи, что позволяет без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние ячейке. Теоретически такие многоканальные передатчики можно использовать уже в соседней ячейке, однако на практике зоны обслуживания ячеек могут перекрываться под воздействием различных факторов, в частности вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в реальных системах мобильной связи в соседних ячейках используются различные частоты. Существуют статистический и детерминированный способы формирования зон обслуживания. Статистический способ основан на измерении основных статистических характеристик распространения сигналов в системах связи. Детерминированный способ основан на измерении и расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При практической реализации статистического способа вся обслуживаемая территория делится на одинаковые по форме зоны, и с помощью статистической радиофизики определяются их предельно-допустимые размеры и расстояние до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Для оптимального разделения обслуживаемой территории на отдельные ячейки, позволяющего добиться получения однородных (гомогенных) участков без перекрытия или пропусков могут использоваться только тригонометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник.

В условиях отсутствия средств САПР предлагается произвести расчет ЗО на основе статистического подхода. Рассчитанные параметры максимальной дальности связи на основе бюджета радиолинии Link Budget c рассмотренными моделями:

Определение зоны обслуживания для канала шириной 3.5МГц с мощностью передатчика P=23дБв, использованием 3-х секторных антенн (ДНА в горизонтальной плоскости120 гр.) с коэффициентом усиления антенны 12дБ, потери в фидере 2 дБ, запас на замирания FM = 1дБ представлены в таблице3.6.

Талица 6. Прогнозирование ослабления медианного значения напряженности поля в зависимости от минимальной чувствительности Прм для заданного вида модуляции

Определение зоны обслуживания одной БС, на основе результатов эксперимента

На основе экспериментальных измерений, зависимости ослабления сигнала от расстояния между приемником и передатчиком, проведенных в типичном городе с миллионным населением, системы связи стандарта IEEE 802.16, предлагается адаптировать модель распространения сигнала для г. Волгограда. Данные измерения проводились с помощь спектроанализатора Rohde&Schwartz, всенаправленной антенны, внутреннего блока клиентского устройства, ноутбук, GPS навигатора. Порядок проведения эксперимента состоял в 4-х измерениях уровня сигнала для каждого сектора (в эксперименте применялась БС с 4-мя секторами). Уровень сигнала измерялся спектроанализатором, затем уточнялась возможность установки соединения при помощи связки: внутреннее клиентское устройство - ноутбук. Далее определялись координаты с помощью GPS навигатора. Данные для эксперимента:

· Мощность излучения передатчика БС - 23 дБм

· Применение БС с 4 секторами.

· Потери в фидере - 2 дБ

· Коэффициент усиления антенны ПрД БС - 16дБи

· Коэффициент усиления приемной антенны ПрМ клиентского устройства 2дБи

· Ширина канала 3.5МГц

Результаты эксперимента приведены в таблице 3.7, где- ослабление сигнала в дБ, - расстояние между приемником и передатчиком в метрах.

Таблица 7. Экспериментальные измерения зависимости ослабления медианного значения поля от расстояния

Одним из наиболее приемлемых методов обработки результатов эксперимента и применимых в данном случае, является метод наименьших квадратов, который позволит на основе аналитической функции (в нашем случае это модель распространения Erceg) «подойти» к экспериментальным точкам настолько близко, насколько это возможно. Т.е. мы будем аппроксимировать результаты эксперимента аналитической функцией модели распространения с критерием минимизации дисперсии.

Идея метода заключается в том, чтобы функцию: , необходимо подобрать таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений измеренных значений от расчетных была наименьшей:

Для нашего случая задача сводится к минимизации суммы квадратов по коэффициенту - коэффициенту затухания радиоволн.

где

- Erceg модель выбранная в качестве основной для расчета зоны покрытия БС.

На основе экспериментальных данных можно определить для каждого случая, на рис. 3.9 представлены кривые для случаем =8.3, 6, 4, 6.6, 3,4. Соответствующие случаям из таблицы 3.7. На рис 3.9 проведена горизонтальная пунктирная линия, соответствующая минимальной чувствительности приемника WiMAX, согласно стандарту для полосы 3.5МГц (однако в стандарте сказано, что данная чувствительность минимальна для удовлетворения параметрам стандарта, и производители обычно заявляют большую пороговую чувствительность). Соответственно пересечение данной линии с кривыми ослабления, дают нам точку, соответствующую максимальной дальности связи.

Рис. 9. Зависимость ослабления сигнала от расстояния

Далее, согласно методу наименьших квадратов необходимо найти , при которой сумма квадратов будет минимальной,

для этого необходимо функцию дифференцировать по , те найти , далее приравняв = 0, найти минимум данной функции.

Применив описанный выше метод и анализировав функцию находим .

Построим корреляционное поле (рис. 3.11) для экспериментальных точек и покажем на нем .

Рис. 11. Корреляционное поле по результатам эксперимента с аппроксимирующей прямой

По определенному коэффициенту найдем зоны покрытия для одной БС в конфигурации: 3-сектора по 120 градусов. Характеристики модели следующие:

· Оборудование компании Alcatel 9116 WBS (согласно п. 4.2)

· Мощность ПрД на сектор - 34 дБм

· Потери в фидере не более - 4 дБ

· Коэффициент усиления ПрД антенны - 16 дБ

· Пространственное разнесение - отсутствует

· Модель распространения Erceg

· Бюджет радиолинии с учетом запаса на замирания FM = 1 дБ

· Коэффициент усиления приемной антенны - 2 дБ

· Применение Sub-Channelisation - отсутствует

· Ширина канала - 3.5МГц

· Пороговая чувствительность для различных видов модуляции и кодирования согласно таблице 3.3

Максимальный радиус зоны обслуживания для заданных типов модуляции / кода приведены в таблице3.8

Таблица 8. Максимальный радиус зоны обслуживания для заданных типов модуляции / кода

Виды кластеров. Выбор кластерной структуры. Выбор площадок для расположения сайтов БС

Концепция сети сотовой подвижной связи строится на основе двух основополагающих принципов: сотовой организации сети и повторного использования частот.

Согласно принципу сотовой организации сеть сотовой подвижной связи представляет собой совокупность базовых станций с частично пересекающимися территориями покрытия. Это позволяет применить принцип повторного использования частот, а также обеспечивает мобильность абонентов за счет функции эстафетной передачи при перемещении абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой.

Принцип повторного использования частот позволяет наращивать емкость сети и обслуживать большое количество абонентов, не смотря на ограниченность частотного ресурса. Суть этого принципа в том, что один и тот же частотный канал может использоваться несколько раз, но для покрытия различных территорий, разнесенных на определенное расстояние. Это становится возможным благодаря такому свойству радиосигнала как затухание при распространении в пространстве.

Наиболее подходящей фигурой для аппроксимации круговой формы зоны радиопокрытия базовой станции на ровной местности без препятствий являются шестиугольники и их края хорошо аппроксимируют границы между сотами равных размеров. На практике область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой формой, поскольку она зависит от структуры местности и препятствий - зданий, деревьев и т.д. Разделение области покрытия системы на соты равного размера невозможно и по техническим причинам. При размещении базовых станций необходимо учитывать множество факторов, таких как доступ к подходящим участкам местности и возможность использования естественных элементов местности - башни, высокие трубы и строения. Такие элементы не часто располагаются в центрах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных системах проводятся полевые измерения при помощи специализированного оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на основе обработки данных цифровой карты местности сложным специализированным программным обеспечением, которое имитирует распространение электромагнитных волн на цифровой модели местности. Один из подходов к моделированию распространения электромагнитных волн заключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях местности с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот подход, который называют методом трассирования лучей ray tracing, требует точных данных об области покрытия и больших вычислительных ресурсов (САПР с ГИС системами). Обычно пакеты профессионального программного обеспечения, применяемые для моделирования распространения волн и проектирования сот, используют более сложные модели распространения, чем рассмотренная выше (в п. 3.6.1 - п. 3.6.5).

На основе анализа местности по средствам программного пакета Гугл Планета Земля, для оптимизации количества БС предлагается отказать от равномерного расположения сайтов по территории города и перейти к выборочному расположению. Применяется кластерная структура в конфигурации 4/3/12 (4 - соты, 3 - сектора в соте, 12 - частот в кластере). Основными критериями для определения зон обслуживания, является наличие плотной застройки, сосредоточения социальных и промышленных объектов и т.д. Территории с малоэтажной застройкой и так называемый «частный» сектор покрываются частично. Территории со слабой застройкой и не застроенные области не покрываются, ввиду коммерческой неэффективности. Исходя из описанных выше условий, выбраны площадки для размещения БС, координаты расположения БС представлены в таблице 3.9

Таблица 9. Расположения базовых станций

Дополнительно проработан вопрос организации сети беспроводного широкополосного доступа на территории г. Волжский, который является городом спутником г. Волгограда. Подробная карта предполагаемых зон покрытия приложена в приложении 1, 2, 3, 4. Ниже представлены уменьшенные планы топологий расположения БС на территории г. Волгограда и г. Волжский. Проработана предполагаемая карта транспортной сети. Указаны места расположения узлов доступа, транзитных узлов и центрального узла связи.

Центральный узел связи состоит из шлюза доступа к сети беспроводной широкополосной связи стандарта IEEE 802.16, магистрального (пограничного) маршрутезатора, коммутатора, источников бесперебойного питания, оборудования транспортной сети (оптические приемопередатчики, оптические усилители и тд.), оборудования базовой станции, сервера авторизации и аунтефикации server AAA, сервера биллинга, оборудования для управления и контроля сети.

Узел доступа состоит из оборудования базовой станции, коммутатора, оборудования транспортной сети (оптические приемопередатчики, оптические усилители и тд.), источников бесперебойного питания

Транзитный узел состоит из оборудования транспортной сети (оптические приемопередатчики, оптические усилители и тд.) и источников бесперебойного питания.

Благодаря наличию на узлах доступа коммутирующих устройств можно гибко подходить к подключению клиентов, предоставляя им возможность подключаться не только по радиодоступу но и напрямую к узлам. Собственная волоконно-оптическая сеть пропускной способностью 1Гб/с дает возможность беспрепятственно подключать клиентов на скорости до 100Мб/с.

Краткая описание г. Волжский:

Город областного подчинения в Волгоградской области России, один из крупнейших промышленных городов Нижнего Поволжья. Население - 306,4 тыс. человек (2008), второй по величине в регионе. Город расположен в 20 километрах северо-восточнее Волгограда, на левом берегу реки Ахтубы. С областным центром город соединён плотиной Волжской ГЭС. Волжский является одним из самых зелёных в стране. Дело в том, что ещё при утверждении Генерального плана города 15 декабря 1950 года перед проектировщиками стояла задача уберечь город от ветра и песчаных бурь. Волжский имеет выгодное экономико-географическое положение:

· До открытия моста, плотина ГЭС остаётся единственным путевым переходом через Волгу в регионе.

· Город находится на важном транспортном пути, соединяющем южные регионы России (например, Астраханскую и Ростовскую области) с Казахстаном.

· Через город проходит железнодорожная линия, соединяющая Россию со странами Средней Азии.

· Волжский расположен на берегу Ахтубы, рукава Волги, естественной транспортной магистрали.

Размещено на Allbest.ru