Основы теории связи с подвижными объектами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине: «Основы теории связи с подвижными объектами»



Оглавление

Введение

1. Задание на курсовой проект

2. Первый этап выполнения проекта Кластер

3. Второй этап выполнения проекта

3.1 Определение баланса мощностей

3.2 Определение потерь на трассе

3.3 Расчет электропитания базовой станции

3.4 Расчет надежности сети сотовой связи

Заключение

Библиографический список

кластер мощность электропитание сеть



Введение

Данный курсовой проект предполагает планирование в нулевом приближении сети сотовой связи для следующих стандартов: GSM -900. Выполнение курсовой работы включает оптимальный выбор частотных каналов, расчет числа сот в сети и максимального удаления в соте абонентской станции (АС) от базовой станции (БС), расчет потерь на трассе прохождения сигнала и определение мощности передатчиков, расчет электропитания базовой станции, расчет надежности проектируемой сети сотовой связи, составление сметы капитальных вложений на проектирование сети сотовой связи на заданной территории.



1. Задание на курсовой проект

В курсовом проекте требуется спланировать в нулевом приближении сеть сотовой связи в городе при следующих исходных данных:

1. Тип территории в зоне обслуживания

2. Используемый стандарт сотовой связи

3. Число абонентов в зоне обслуживания в тысячах человек - Мсети,

4. Площадь зоны обслуживания в км2 - Scети

Варианты исходных данных приведены в таблице Приложения 1

Основное допущение при планировании сети сотовой связи в нулевом приближении состоит в том, что считаем распределение абонентов в заданной зоне равномерным, так что сеть состоит из множества одинаковых по размеру сот, которые будем условно представлять в виде правильных шестиугольников. На практике в сетях GSM используют кластеры с секторизованными сотами типа 3/9 и 4/12. Это позволяет получать на границе сот отношение сигнал/помеха с вероятностью порядка 80% не хуже нормы 9 дБ. Типы кластеров на рисунке 1

При выполнении курсовой работы требуется:

произвести оптимальный выбор частотных каналов;

рассчитать число сот в сети;

найти максимальное удаление в соте абонентской станции (АС) от базовой станции (БС),

рассчитать потери на трассе,

определить мощность передатчиков базовой станции.

рассчитать электропитание базовой станции

рассчитать надежность сети сотовой связи

2. Первый этап выполнения проекта

На первом этапе проекта должно быть найдено оптимальное решение по пп.1 - 3 выше приведенных требований. Начинать следует с выбора частотных каналов в соте. Вначале берут 1 канал, затем 2, 3, возможно и больше. Однако увеличение числа каналов чрезвычайно существенно влияет на оплату оператором их аренды. Вместе с тем, с уменьшением числа каналов в соте возрастает число сот в сети и уменьшаются их размеры. Это удорожает развертывание и обслуживание сот. Минимальные размеры соты обычно определяет число допустимых хэндоверов. Поэтому для сетей GSM-900 радиус соты R должен быть не менее 1,1-1,4 км. (рисунок 2).

Так как в одном частотном канале GSM существуют 8 независимых физических каналов, то из табл. 1 определяем число каналов трафика.

Таблица 1 - Определение числа каналов трафика

Число частотных каналов	1	2	3	4	5
Число физических каналов	8	16	24	32	40
Используют под каналы управления	1	2	2	3	3-4
Число каналов трафика	7	14	22	29	36-37

Выбрав число каналов, определяют допустимый трафик в соте на основе статистики абонентов по формуле Эрланга.

Трафик характеризуют объемом передаваемой информации. При передаче данных трафик определяют скоростью передачи (бит/с) и временем передачи, т.е. числом переданной информации в битах. В телефонии единицей измерения трафика является эрланг1. 1 Эрл - это занятость одного телефонного (ТФ) канала в течение часа.

Расчет допустимого трафика, а следовательно, и максимального числа обслуживаемых абонентов при заданном числе каналов является статистической задачей. Формула Эрланга связывает число каналов трафика в соте МСОт, допустимый трафик в соте Асот в Эрлангах и вероятность отказа абоненту в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки ротк.

Формулы Эрланга табулированы. В сотовых сетях принято ротк = 0,02.

При расчете в соответствии с числом каналов в соте по таблицам Эрланга находим допустимый трафик в соте Асот. Далее, задаваясь средним трафиком одного абонента в ЧНН (час наибольшей нагрузки)

А1 = 0,015 - 0,025 Эрл, определяем допустимое число абонентов в соте по формуле

,



Определяем число сот в городе

.

Площадь соты вычислим по формуле

.

Радиус соты в виде правильного шестиугольника (рисунок 2)

,

причем R - максимальное удаление мобильной станции от базовой станции в соте.

В соответствии с таблицей 4.1 при 1 частотном канале в соте можно организовать 7 каналов трафика. Задавшись ротк = 0,02 по таблицам Эрланга в приложении находим Асот = 2,935 Эрл. Примем А1 = 0,015 Эрл.

Определим допустимое число абонентов в соте

Мсот =Асот /А1 ,

Мсот = 2,935/0,015 200 чел.

Общее число сот в городе

qcot = Мсети/ Мсот,



qcot = 360000/200 = 1800.

Площадь одной соты

scot = sсети/qсот ,

scot = 450/1800 = 0,25 км2 .

Радиус соты

При 2 частотных каналах в соте можно организовать 14 каналов трафика.

ротк = 0,02.

Асот = 8,2 Эрл.

А1 = 0,015 Эрл.

Определим допустимое число абонентов в соте

Мсот =Асот /А1 ,

Мсот = 8,2/0,015 550 чел.

Общее число сот в городе

qcot = Мсети/ Мсот,

qcot = 360000/550 = 654,5.

Площадь одной соты



scot = sсети/qсот ,

scot = 450/654,5 = 0,6875 км2 .

Радиус соты

При 3 частотных каналах в соте можно организовать 22 канала трафика.

ротк = 0,02.

Асот = 14,9 Эрл.

А1 = 0,015 Эрл.

Определим допустимое число абонентов в соте

Мсот =Асот /А1 ,

Мсот = 14,9/0,015 1000 чел.

Общее число сот в городе

qcot = Мсети/ Мсот,

qcot = 360000/1000 = 360.

Площадь одной соты

scot = sсети/qсот ,

scot = 450/360 = 1,25 км2 .

Радиус соты

В результате расчетов на первом этапе выполнения курсовой работы должна быть заполнена таблица 2.

Таблица 2 - Результаты расчета первого этапа

Число частот в соте	1	2	3
Число частот в сети: кластер 3/9, кластер 4/12
Число абонентов в соте, Мсот	200	550	100
Число сот в сети, qсот	1800	655	360
Площадь соты, sсот , км2	0,25	0,69	1,25
Радиус соты, R км	0,62	1,03	1,4

На основе анализа данных Таблицы 2 оптимальный вариант сети, который бы минимизировал общее число частотных каналов при допустимых размерах сот, является вариант с тремя частотными каналами.

Кластер



3. Второй этап выполнения проекта

3.1 Определение баланса мощностей

На втором этапе выполнения работы следует обеспечить баланс мощностей в соте радиуса R для сети, выбранной в результате выполнения 1 этапа.

Уравнения баланса мощностей составляют на основе учета всех особенностей прохождения сигнала на трассе согласно рисунку 4.

Расчеты трасс сетей подвижной связи ведут с использованием логарифмов потерь на трассах, в фидерах, комбайнерах и логарифмов коэффициентов усиления антенн и дополнительных усилителей. При этом мощности на выходе передатчика и на входе приемника выражают в децибелах на милливатт (дБм) согласно формуле

Р(дБм)=10 lg Р(мВт).

На рисунке 4 обозначены:

G - усиление;

L - потери;

Lp - потери на трассе;

А - антенна;

D- разнесение;

F - фидер;

С - комбайнер;

Тх - передатчик;

Rx- приемник;

Pin - входная мощность;

Pout - выходная мощность;

ТМА (Tower Mounted Amplifier) - малошумящий усилитель на входе приемника.

Уравнение баланса мощностей в направлении вверх (АС => БС):

Pin БС = Pout АС - Lf AC + Ga АС - Lp + Ga БС + Gd БС - Lf БС (1)

Уравнение баланса мощностей в направлении вниз (БС => АС):

Pin АС = Pout БС - Lf БC + Ga БС - Lc - Lp + Ga АС - Lf АС (2)

В уравнениях (4.1) и (4.2) все коэффициенты усиления и ослабления выражены в децибелах, а мощности в децибелах на милливатт (дБм).

Pinбс и Pinac - мощности на входе приемников БС и АС,

Poutбс и Poutac - мощности на выходе передатчиков БС и АС,

Gaбс и Gaас - коэффициенты усиления антенн БС и АС,

Lf бс и Lf ас - потери в фидерах БС и АС,

Lc - потери в комбайнере,

Lp - потери на трассе,

Gdбс - выигрыш за счет разнесенного приема сигналов на БС (3...4 дБ),

При расчетах можно использовать следующие параметры абонентских и базовых GSM станций.

В абонентских станциях GSM 900/1800 класса 4/1 максимальная выходная мощность передатчиков Poutac = 2 Вт на 900 МГц и 1 Вт на 1800 МГц. Чувствительность приемников, т.е. минимальная Pinac = -104 дБм во всех диапазонах.

Чувствительность приемников базовых станций при наличии дополнительного малошумящего усилителя ТМА (рисунок 4) на входе приемного тракта Pinбс = -111 дБм, а без него -106 дБм. Что касается мощностей передатчиков БС, то их стандартные значения у разных производителей лежат в пределах от 28 до 50 Вт (хотя есть и маломощные станции мощностью 2 Вт).

При проверке баланса мощностей вверх (уравнение 3.1) можно принять Lf Ас = 0, Gaас = 0, Gaбс = 15 - 17 дБ, LfБс = 2 дБ, Gdbts = 3 дБ (используем разнесенный прием).

При проверке баланса мощностей вниз (уравнение 3.2) можно принять Lf Бс = 2 дБ, Gaбс = 15 - 17 дБ, LC = 3 дБ, если в соте 3-4 частоты; LfАс = 0, Gaac = 0.

Найденные величины Pinac и Pinбс должны превышать чувствительность приемников мобильной станции -104 дБв и базовой станции - 111 дБм. Если они оказываются меньше, то следует попробовать увеличить высоту подвеса антенны БС или уменьшить радиус соты.

3.2 Определение потерь на трассе

Потери на трассе определяем по модели Окумура - Хата. Они зависят от расстояния R, рабочей частоты F, высоты подвеса антенн базовой станции нбс и абонентской станции нАс Данный метод основан на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяет рассчитать средние потери для различных типов местности.

В диапазоне 900 МГц следует использовать рекомендации [ Rec. ITU-R Р. 529-2]. Условия применимости модели F = 150... 1500 МГц; НБС = 30...200 м; НАС = 1...10м.

- в городской зоне

,

где нбс - эффективная высота подъема антенны базовой станции в м;

нас - высота антенны подвижной станции над землей в м;

R - расстояние между передатчиком и приемником в км;

F - частота сигнала в МГц.

Здесь - корректировочный фактор:

для малых и средних городов:

;

б) для больших городов:

;

- в пригородной зоне

- в сельской местности



Так как конкретные частотные каналы неизвестны, то при расчетах сетей GSM-900 следует ориентироваться на средние частоты диапазонов, приведенные в таблице с заданием.

Приведем пример проверки баланса мощностей на трассе вниз.

F=940 МГц;

НБс = 30 м;

нас = 1м;

R = 1,4 км;

в городской зоне

,

где

Тогда средние (медианные) потери на трассе согласно модели COST 231 составляют Lг = 136,4 дБ. Необходимый запас мощности сигнала для его уверенного приема в 90% площади с вероятностью 75% - среднеквадратичное отклонение сигнала из-за флуктуации в точке приема. Кроме того, учтем дополнительные потери в здании LДОП=12 дБ.

Итак, суммарные потери на трассе

Lp = 133,33 + 5,6 + 12 = 150,93 дБ.

Теперь рассчитаем мощность сигнала на входе приемника АС.

GSM-900

Р(дБм)=10lgР(мВт)

PoutБС = 30 Вт = 44,77 дБ

Рinас = Poutбс - Lf бс + GaБс - Lc - Lp + GaАС - Lfac,

Рinас = 44,77 - 2 + 15 - 3 - 150,93 = -96,16 дБм.

Аналогично по формуле (3.1) проверяем баланс мощностей на трассе вверх. Средняя частота поддиапазона вверх АС => БС:

F = 900 МГц.

НБс = 30 м;

нас = 1м;

R = 1,4 км;

Lг = 132.8255 дБ.

При тех же и потерях в здании LДОП=12 дБ

Lp = 132,8255 + 5,6 + 12 = 150,4255 дБ.

PoutАС = 2 Вт = 33,01 дБ

Pin БС = Pout AC - Lf ac + Ga AC - Lp + Ga БС + Gd БС - Lf БС,

Pin БС = 33,01 - 150,4255 + 15 + 3 - 2 = -101,41 дБм.

Найденные величины Pinac и Pinбс должны превышать чувствительность приемников мобильной станции -104 дБв и базовой станции - 111 дБм.

В отчете по второму этапу курсовой работы следует привести формулу, по которой производили расчет потерь на трассе Lr, и заполнить итоговую таблицу 4.

Таблица 4 -

Результаты расчета второго этапа

Трасса вниз БС => АС
F (МГ)	нбс (м)	нас (м)	R (км)	Lг (дБ)	(ДБ)	Lдоп (ДБ)	PoutБС (ДБм)	LfБС (ДБ)	GaБC (ДБ)	Lс (ДБ)	LP (ДБ)	GaAC (ДБ)	LfAC (ДБ)	PinAC (ДБ)
940	30	1	1,4	133,33	5,6	12	44,77	2	15	3	150,93	0	0	-96,16
Трасса вверх АС => БС
F (МГ)	нбс (м)	нас (м)	R (км)	Lг (дБ)	(ДБ)	Lдоп (ДБ)	PoutАС (ДБм)	LfАС (ДБ)	GaАC (ДБ)	LР (ДБ)	GaБC (ДБ)	GdБC (ДБ)	LfБC (ДБ)	PinБC (ДБ)
900	30	1	1,4	132,82	5,6	12	33,01	0	0	150,42	15	3	2	-101,41

3.3 Расчет электропитания базовой станции

В сетях сотовой связи наибольшее распространение получили источники бесперебойного питания (ИБП) переменного тока. Организация бесперебойного питания объекта подразумевает возможность его переключения при неполадках в электросети на альтернативный источник энергии. В ИБП любого типа функции такого источника выполняют аккумуляторные батареи.

Аккумуляторы являются вторичными элементами питания или, как их еще называют, химическими источниками тока второго типа.

Аккумуляторные батареи функционируют в двух основных режимах: разряда и заряда. Установленные в ИБП переменного тока батареи находятся в одном из трех состояний -- дежурном, аварийном и поставарийном. Поскольку аварии в сети происходят все-таки не столь часто, большую часть срока эксплуатации батарея функционирует в дежурном, или буферном режиме постоянного подзаряда. Аварийные режимы (питание нагрузки от батареи) в телекоммуникациях занимают сравнительно небольшое время. Поставарийный -- это автоматический режим заряда разряженной батареи.

Любая АБ характеризуется взаимосвязанной системой параметров, базовыми из которых являются емкость и номинальное напряжение. Выбор емкости АБ обусловлен типом нагрузки, которую она будет поддерживать в течение заданного времени при определенных режимах разряда. Для любого телекоммуникационного объекта определяющими являются требования по энергоснабжению: время работы, ток разряда, мощность. Требования по емкости определяются на основании этих характеристик.

Выбор батареи во многом зависит от качества сети: одни батареи лучше работают в буферном режиме, другие рассчитаны на циклическое применение. Чем глубже разряжается батарея, тем меньше циклов заряда/разряда она обеспечивает.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Основные области применения:

-Непрерывное Электропитание

-Телекоммуникация

-Пожарное освещение

-Пожарная тревога и системы обеспечения безопасности

Отличительные особенности:

- дешевизна и простота производства - по стоимости 1 Вт • ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

- малый саморазряд - самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов;

- низкие требования по обслуживанию - отсутствует "эффект памяти", не требуется доливки электролита;

- допустимы высокие токи разряда.

- не допускается хранение в разряженном состоянии;

-низкая энергетическая плотность - большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

- допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда (200 - 300);

-кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

- при неправильном заряде возможен перегрев.

Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

Производители АБП всегда указывают полную мощность, выраженную в Вольт-амперах (ВА), следовательно, необходимо перевести активную мощность оборудования в полную. Активная мощность вычисляется по формуле

где РИБП - требуемая мощность источника бесперебойного питания базовой станции;

PF(Power Factor) - коэффициент мощности, который в данной курсовой работе принимается равным 0,7;

Pmax - максимальная потребляемая мощность.

Максимальная потребляемая мощность для базовых станций сетей GSM - 60Вт.

Необходимо также учесть максимальную потребляемую мощность охранно-пожарной сигнализации- 900 Вт и системы управления микроклиматом - 3000Вт.

Pmax= 3960 Вт.

Для работы в автономном режиме ИБП базовой станции комплектуется четырьмя батареями. Необходимо рассчитать максимальное время автономной работы при заданной нагрузке по формуле

3.4 Расчет надежности сети сотовой связи

Одной из важнейших задач при проектировании сетей сотовой связи является разработка устройств и узлов, обеспечивающих выполнение всех возложенных на них функций в течение длительного срока службы оборудования. Решение этой проблемы возможно только при комплексном решении вопросов надежности на всех стадиях проектирования и эксплуатации.

Основные понятия

Надежность - это свойство системы обеспечивать нормальное выполнение заданной функции, обеспечивать первоначальные технические характеристики в течение определенного времени в заданных пределах допуска.

Надежность характеризуется:

-безотказностью

-ремонтопригодностью

-долговечностью

Безотказность - свойство системы непосредственно сохранять работоспособность в определенных условиях и режимах эксплуатации.

Ремонтопригодность - свойства системы, заключающиеся в приспособленности к предупреждению об нарушении и устранении отказов по мере планового технического и ремонта.

Долговечность - свойство системы сохранять работоспособность в перерывах между плановым техническим обслуживанием и ремонта до предельного состояния.

В основе понятия надежности лежит понятие отказа.

Отказ - нарушение работоспособности системы, заключающееся в прекращении выполнения заданных функций или выходе рабочих показателей за заданные пределы. Для аппаратуры передачи данных характерны отказы различного типа - внезапные и постепенные, полные и частичные, самоустраняющиеся и устойчивые.

Сбой в работе сети сотовой связи может быть вызван различными причинами: обрывов линий связи, выходом из строя оборудования и некоторыми другими.

Простои, вызванные сбоями в работе сети, могут сопровождаться огромными потерями прибыли. Таким образом, актуальными являются вопросы сокращения времени простоя, оценка потерь, вызванных простоями, и оценка затрат на минимизацию этих потерь.

Для решения поставленных задач возникает необходимость в количественной оценке надежности. С этой целью в теории надежности вводятся количественные характеристики, и устанавливается связь между ними, разрабатываются методы, позволяющие анализировать физические причины отказов и прогнозировать надежность.

Речь идет о выборе методов и средств обеспечения работы систем с максимальной эффективностью.

Время наработки на отказ Тн и среднее время восстановления после сбоя Тв являются основными параметрами, которые следует учитывать при решении задачи обеспечения надежного и стабильного сервиса.

Среднее время восстановления - среднее время, необходимое для возобновления нормальной работы системы.

Наработка на отказ - среднее время между отказами восстанавливаемых изделий.

Параметры безотказности:

- интенсивность отказов системы;

- наработка на отказ системы;

- вероятность безотказной работы.

Интенсивность отказов - вероятность отказов в единицу времени.

Зная TСР каждого элемента системы, можем определить интенсивность отказов л, 1/ч, каждого элемента по формуле

л = 1/Tср

Tср(БС)= 31 тыс.ч.

л1 = 1/(31*103)=0,032*10-3=32*10-6 [1/ч]

Tср(контроллер)= 56 тыс.ч.

л2 = 1/(56*103)=17,86*10-6 [1/ч]

Tср(MUX)= 42 тыс.ч.

л3 = 1/(42*103)=23,81*10-6 [1/ч]

и всей системы в целом по формуле

где лi - интенсивность отказов каждого элемента системы.

Зная интенсивность отказов всей системы необходимо определить наработку на отказ системы по формуле

.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в течение заданного времени не произойдет отказа в системе.

Вероятность безотказной работы определяется по формуле

Pс(t) = e -Лt ,

где t,ч - время испытания.

- интенсивность отказов системы

t, ч может принимать следующие значения: 24,720,2172,8760.

t=24:Pс(t)=0.9982

t=720:Pс(t)=0.9483

t=2172:Pс(t)=0.8521

t=8760:Pс(t)=0.5245

Кривая безотказности



Параметры ремонтопригодности:

- среднее время восстановления;

- коэффициент готовности;

- коэффициент простоя.

Используя параметры надежности Тср и Тв, можно вычислить коэффициент доступности услуг Кд (коэффициент готовности Кг).

Коэффициент готовности - вероятность того, что система будет в работоспособном состоянии в любой момент времени в промежутках между выполнением профилактического обслуживания или ремонта.

Коэффициент готовности определяется по формуле

,

где Тср - среднее время наработки на отказ системы;

Тв - время восстановления системы = 2 часа.

Время восстановления системы рассчитывается по формуле

Тв=Тоб+Тд+Ту+Тн ,

где Тоб - время обнаружения неисправности;

Тд - время на доставку к месту восстановления вышедшего из строя элемента системы;

Ту - время на устранение повреждения;

Тн - время на настройку и проверочные испытания.

Коэффициент простоя учитывает все простои аппаратуры, вызванные техническим обслуживанием, но без учета простоев по организационным причинам.

KП = 1 - Кг = 0,00014

Результаты расчета надежности системы

Интенсивность отказов системы лс, 1/ч.	Наработка на отказ системы Тср, ч.	Вероятность безотказной работы системы P(t)	Тв	Кг	Кп
		t=24	t=720	t=2172	t=8760
73.67*10-6	13574ч. 565 сут	0,9982	0,9483	0,8521	0,5245	2	0,99985	0,00015

Расчетные параметры необходимо сравнить с нормативными показателями и сделать выводы о состоянии надежности системы.

Нормативные показатели системы:

Наработка на отказ системы Тср должна быть не менее 350 суток.

Коэффициент готовности системы Кг должен быть не менее 0,99.



Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были получены навыки для планирования в нулевом приближении сети сотовой связи для стандарта GSM -900. А так же навыки по выбору оптимальных частотных каналов, расчету числа сот в сети и максимального удаления в соте АС от БС, и других параметров для надежной работы сети сотовой связи на заданной территории.



Библиографический список

1. Комашинский, В.И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации [Текст] /Комашинский В.И., Максимов А.В. - М.: Горячая линия - Телекомм, 2012. - 173 с.

2. Шахнович, И.В. Современные технологии беспроводной связи [Текст] / И.В. Шахнович. - М.: ТЕХНОСФЕРА , 2006. - 288 с.

3. Бабков, В. Ю.Сети мобильной связи: частотно-территориальное планирование. Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., испр.[Текст]/ В. Ю.Бабков, М. А.Вознюк, П.А. Михайлов- М.: Горячая линия - Телекомм, 2007. - 224 с.

4. Ветошкина. Г. Надежность технических систем и техногенный риск.[Текст] / Ветошкина Г.Н.- Пенза: ПГУАиС, 2011.-258с.

5. Половко А. М. Основы теории надежности .[Текст]/ А. М. Половко, С. В. Гуров. СПб.: БХВ-Петербург, 2013.-324с.

Размещено на Allbest.ru