Исследование применения сети vsat в системах сотовой связи Магистрант Абдрахманов км группа мтсп122
 Скачать 2.56 Mb.
|
|
2 Спутниковая связь для сетей GSM 2.1 Структура сети GSM Структура спутниковой сети GSM состоит из следующих систем ( см. рисунок 2.1) [21]: BSS (Base Station Subsystem) - подсистема базовых станций SSS (Switching Subsystem) - подсистема коммутации OSS (Operation Subsystem) - подсистема эксплуатации и технического обслуживания. Рисунок 2.1 – Структурная схема сети GSM Данная схема разделена натри области. Каждая является замкнутой системой, которая выполняет свою определенную задачу. Данное разделение является целесообразным, сточки зрения контроля, отслеживания ее ошибок и некоторых сбоев, и строительства всей сети. Базовая приемопередающая станция сети (BTS, base transceiver station) представляет собой некий интерфейс между мобильной станцией и самой сетью (Um). Как правило, BTS размещается в самом центре ячейки. Абсолютный размер ячейки может определяться с мощностью передатчика BTS. Как правило, базовая станция имеет в своем составе от 1 до 16 приемопередатчиков. Они позволяют одному оператору использовать до 8 каналов. Для управления и обмена информацией для стандарта GSM необходимы как минимум 2 канала. BTS питает как радиоканалы и посылает параметры, описывающие такие ячейки, таки как скорость передачи, название ячейки и т.д. 29 BTS состоит из блока контроля, цепи интерфейса, одной или более систем TDMA, и одного объединителя антенны (комбайнер) (см. рисунок 2.2) [21]. Рисунок 2.2 – Структурная схема BTS BSS (Base Station Subsystem) содержит слеущие устройства BTS (Base Transceiver Station) - базовую приемопередающую станцию BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций TRAU (Transcoding Rate Adapter Unit) - транскодер. Любая такая базовая станция должжна быть оборудована дополнительной радиорелейной связью. Это сделано для того, чтобы приложения дополнительных коммуникационных устройств, таких как мосты внутри сети. Частотный диапазон для такой связи составляет порядка 3-40 ГГц. Каждая BTS обеспечивает радиопокрытие, атак же получение и передачу данных и своей служебной информации от/к мобильной станции сети, управление мощностью мобильной станции сети, атак же контроль качества передачи информации и т.д. BSC (Base Station Controller) представляет собой контроллер базовых станций сети - мощный компьютер, который обеспечивает управление работой базовых станций (BTS) и осуществляет контроль работоспособности всех таких блоков базовой станции (BTS) сети, а также отвечает за процедуру handover передача обслуживания мобильной станции от одной базовой станции к другой в режиме разговора. Устройство Контроллер базовых станций управляет одновременно несколькими такими базовыми станциям (BTS). Их количество может определяться, объемами потоков вызовов в сеети, то есть телефонной нагрузкой сети. Обычно, в густонаселенной местности располагается большое количество BTS, подключенных к нескольким BSC. Последним элементом первой подсистемы является элемент TRAU (Transcoding Rate Adapter Unit) – транскодер. Он отвечает за преобразование скорости передачи данных между станциями BSS ив сети. Как правило, скорость передачи информации в подсистеме базовых станций для BSS равна порядка 16 кбит/с, а в подсистеме коммутации – порядка 64 кбит/с. 30 2.2 Глобальные мобильные системы спутниковой связи По принципу построения данные системы не отличаются от наземных мобильных систем связи. Отличие лишь состоит в том, что качество BS используют бортовые многоканальные радиостанции (б) искусственных спутников Земли (рисунок 2.3) [7]. Рисунок 2.3 – Спутниковые мобильные систем связи Для организации связи мобильного абонента с любым другим мобильным абонентом одной и той же зоны обслуживания используется дуплексный радиоканал с ретрансляцией через бортовую базовую станцию б сети. Для организации связи любого мобильного абонента с любым другим абонентом системы ТСОП используется уже специальный радиоканал между б и неземной базовой станцией BS h . BS h, обычно, с помощью магистральной соединительной линии (МСЛ) соединяется с АТС данной зоны обслуживания. Для организации связи любого мобильного абонента с любым другим мобильным или стационарным абонентом любых других 3,0 ретрансляция сообщений, обычно, осуществляется двумя способами. Первый способ обеспечивает ретрансляцию сообщений по специализированным радиоканалам, создавая между б соседних ИСЗ (ретрансляция в космосе) соединение. Второй способ позволяет огранизовать ретрансляцию сообщений по таким каналам наземных магистральных линий связи через центр коммутации связи. 31 Использование спутниковых технологий вместее с современными методами обработки трафика мобильных сетей GSM позволяет быстро развернуть сеть мобильной связи в таких труднодоступных регионах, при этом эксплуатационные затраты на организацию каналов связи будут соответствовать реальному сетевому трафику в данных сетях, обеспечивая максимальную рентабельность. Преимуществом спутниковых технологий связи является возможность динамического перераспределения сетевого ресурса между такими различными направлениями и видами служб. Так, например, каналы связи в труднодоступных регионах, резервирование существующих наземных линий связи, а также широкополосная сеть связи для мобильных сетей GSM могут эффективно использовать единую сетевую инфраструктуру. Терминалы могут работать в таком режиме выделенного канала или доступа по требованию к единому сетевому ресурсу сети. Земные станции также позволяют оказывать дополнительные виды услуг цифровое ТВ вещание, широкополосный IP доступ для приложений с использованием GPRS, EDGE, WiMAX/WiFi (см. рисунок 2.4) [1]. Рисунок 2.4 – Спутниковая связь для сетей GSM 32 Спутниковые же терминалы на выходе своей системы имеют такой интерфейс типа G.703 с поддержкой протоколов таких протоколов как А, Е, A.ter и A.bis (специализированные протоколы для передачи GSM трафика) и могут быть использованы как на любом фрагменте мобильной сети GSM, таки обеспечивая трафик между Региональным Центром Коммутации мобильного GSM трафика (MSC) итак же контроллерами базовых станций BSC, равно как и подключения удаленных базовых станций BTS к контроллеру BSC сети. Во всех этих случаях может обеспечиваться максимальная эффективность использования сетевого ресурса сети, благодаря интеллектуальной обработке трафика сетей. Например, данные типа TDM конвертируются в пакетные, атак же осуществляется компрессия этих данных сигнализации и подавление резервных данных в канале типа ТСН, ну и динамическое перераспределение такого ресурса между активными телефонными соединениями и другими службами сети, имитация протокола SS7 итак далее. Обеспечивается совместимость с таким оборудованием GSM основных производителей. Данное решение применимо для построения сетей 3G. Предлагаемые спутниковые терминалы также поддерживают технологию типа Drop & Insert, что позволяет существенно уменьшить потребность в спутниковом сегменте. Антенная система спутникового терминала должна быть установлена на крыше, стене здания или на мачте, на которой крепятся сами антенны мобильной GSM. Спутниковый же модем-маршрутизатор располагается в самом аппаратном зале в непосредственной близости к оборудованию сети GSM, к которому он подключается по протоколу типа А. Е, A.ter и A.bis. Дополнительные же интерфейсы сети LAN могут быть использованы для подключения как широкополосных услуг в сеть GSM, таки для конкретных зслужб мобильного оператора. Спутниковый терминал же обеспечивает обработку, атак же компрессию голосового типа трафика и сигнализацию, формируя их в пакеты IP, которые передаются по спутниковой сети связи на Центральную Станцию, где в свою очередь, маршрутизируются в точку присоединения к существующему контроллеру базовых станций или к центру коммутации подвижной связи. 2.3 Использование полносвязной топологии для подключения удаленных базовых станций Станции сети типа «Mesh» используют для работы по схеме типа точка- точка со скоростями порядка 3 Мбит/с и более. Это дает возможность использовать станции типа «Mesh» для подключения таких удаленных базовых станций сотовой связи к таким же контроллерам базовых станций. Преимуществами такого типа подключения перед классическим SCPC очевидны. Во-первых, оборудование такой земной станции сети по типу «Mesh» стоит дешевле, чем оборудование станции типа SCPC с такой же комплектации. Во-вторых, для станций сети типа «Mesh» ненужно получать 33 частотное присвоение. Также, если необходимо подключить не одну, а сразу несколько базовых станций к одному контроллеру по схеме звезда, для типа SCPC в центре такой звезды придется использовать несколько таких модемов - по количеству направлений связи, a тип «Mesh» позволяет использовать один терминал по всем направлениям. Но есть и проблемы в таком поддключении. На входе такой сотовой базовой станции должен существовать непрерывный цифровой поток называемый Е, хотя в спутниковом же канале связи такие данные передаются не сплошным потоком, а время от времени, вспышками такой режим называется «burst mode» или «VSAT mode»). Однако, поток El - очень неэффективный переносчик информации. Он содержит порядка 30 каналов отцифрованного несжатого трафика типа голос (по 64 кбит с, которые могут использоваться не все, атак же и еще 128 кбит в секунду отводится под сигнализацию (трансляция телефонного номера, подъем опускание трубки и т.п.). Для существующих современных оптических сетей это не является проблемой, а вот загружать таким типом трафика спутниковые каналы связи – нецелесообразно. Поэтому между спутниковой станцией типа «Mesh» и сотовой ЕС включается умный маршрутизатор, который по максимуму сжимает передаваемый Е (см. рисунок 2.5) [1]. Рисунок 2.5 – Подключение удаленной базовой станции сотовой связи Рабочие каналы передачи голоса обрабатываются голосовым типом кодеком, пустые же голосовые каналы выбрасываются, из канала сигнализации удаляются только избыточные данные. Полученный же поток, уже с переменной своей битовой скоростью, фрагментируется, а дальше упаковывается в пакеты по протоколу IP и передается в спутниковом канале в 34 «burst mode». С такими принимаемыми данными производится обратная процедура из вспышек принимаются пакеты по протоколу IP, а из них извлекаются те данные, как голос декомпрессируется, избыточные биты же вставляются обратно, таки восстанавливается непрерывный цифровой поток с постоянной своей битовой скоростью в 2048 кбит/с. Пакетная же передача позволяет использовать сэкономленную полосу пропускания спутникового канала связи другим станциям сети. В случае, когда ни один абонент сети удаленной ЕС не разговаривает с внешним абонентом, те. когда в Е незанят ни один голосовой канал, станция отправляет через спутник минимум пакетов. У нее не возникает необходимость использовать очередное временное свое окно для передачи, и этим окном может воспользоваться другая станция сети связи. Маршрутизаторы же, позволяющие эффективно сжимать и передавать поток El по принципу IP - это очень сложное и дорогостоящее оборудование. Полоса жена спутнике, отведенная на данную клиентскую сеть п типу «Mesh», ограничена, загрузка голосовых же каналов непредсказуема, а протокол IP не имеет таких механизмов, надежно обеспечивающих своевременную доставку данных в таких условиях передачи. Поэтому решение получается не такое дешевое и ненадежное. Нов последнее время оно все чаще используется сотовыми операторами, особенно в регионах где затруднен доступ и прокладка кабельных сетей связи. 35 3 Исследование ослабления сигнала 3.1 Ослабление сигнала в ионосфере Потери сигнала в ионосфере [2] на достаточно высоких частотах можно определить по формуле дБ 4 10 2 2 И, (3.1) где f - частота в ГГц. Расчёт потерь сигнала в ионосфере для двух рабочих частот ГГц 1 f , ГГц 2 f дали следующие результаты дБ 47 3 12 10 4 10 2 4 2 3 4 И L дБ. 10 96 2 14 10 4 10 2 4 2 3 4 И L Исследование затухания сигнала в спокойной атмосфере при зависимости от времени года и времени суток в частотах 12, 14 ГГц. 3.2 Ослабление сигнала в атмосфере в городах Казахстана 3.2.1 Ослабление сигнала в атмосфере города Уральск представлены в таблице 3.1. Таблица Погодные данные г.Уральск Погодные данные зима весна лето осень день ночь день ночь день ночь день ночь Температура, К 264 255 286 274 303 288 284 273 Давление, кПа 101 102 100 101 100 100 102 101 Влажность воздуха, гм 1,73 0,77 4,5 4 8,94 7,73 4,47 3,73 Для исследования ослабления сигнала был выбран геостационарный спутник АВS-1, который полностью охватывает территорию Казахстана и срок действия на орбите 2017 года. Позиция на геостационарной орбите 75 0 , зона покрытия спутника представлена в приложении А. 36 Ослабление сигнала в невозмущенной атмосфере обусловлено в основном поглощением кислородом и водяным паром тропосферного слоя, (4.2) – удельное поглощение кислородом и (4.3) – удельное поглощение водяным паром ] ) ( ) 30 2 ( ) ( ) 30 2 ( ) ( 900 [ 321 , 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 k ' P f P P f P P f P T f P L , (3.2) ] 0163 , 0 ) ( ) 741 , 0 30 ( ) ( ) 741 , 0 30 ( [ 72 , 5 3 2 2 3 2 3 2 3 2 3 644 5 , 2 2 ' T P f P f P P f P е T f L Т в , (3.3) 75 , 0 2 1 10 Т, 75 , 0 2 2 10 Т, ) 0046 , 0 1 ( 10 53 , 1 5 , 0 2 3 Т , где f - частота радиосигнала (ГГц Р – давление (кПа); Т – температура (К - средняя абсолютная влажность воздуха (гм 3 и - коэффициенты. Зима день на частоте ГГц. Расчет коэффициентов 4 75 , 0 2 1 10 944 , 1 264 10 26 , 1 ; 37 4 75 , 0 2 2 10 344 , 5 264 10 5 , 3 ; 4 5 , 0 2 3 10 49 , 9 ) 73 , 1 0046 , 0 1 ( 264 10 Расчет удельного поглощения в кислороде 01 , 0 ] ) 101 10 344 , 5 ( ) 30 12 2 ( 101 10 344 , 5 ) 101 10 344 , 5 ( ) 30 12 2 ( 101 10 344 , 5 ) 101 10 944 , 1 ( 900 12 101 10 944 , 1 [ 264 12 101 321 , 0 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 Расчет удельного поглощения в водяном паре 012 , 0 ] 264 101 10 49 , 9 12 73 ,1 0163 , 0 ) 101 10 49 , 9 ( ) 741 , 0 30 12 ( 10 49 , 9 ) 101 10 49 , 9 ( ) 741 , 0 30 12 ( 101 10 49 , 9 [ 264 12 101 72 , 5 4 2 2 4 2 4 2 4 2 4 264 644 5 , 2 2 ' P е L в Остальные расчеты были сделаны аналогично поданным из таблице 3.1 и результаты расчетов приведены в таблице 3.2, таблице 3.3. Таблица- Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,011 0,024 ночь 0,012 0,013 Весна день 0,00867 0,041 ночь 0,00995 0,045 лето день 0,0074 0,061 ночь 0,0085 0,068 Осень день 0,0092 0,042 ночь 0,01 0,043 38 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 14 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,01 0,012 ночь 0,011 0,0065 весна день 0,00799 0,018 ночь 0,00917 0,023 лето день 0,00682 0,031 ночь 0,00784 0,035 осень день 0,00847 0,022 ночь 0,00926 0,022 Проведены расчеты по поглощению радиосигнала в среде в зависимости от высоты поглощающего слоя кислорода и толщины слоя водяного пара последующим формулам элементарной тригонометрии [2]: sin ' ' в в к к c L h L h L , (3.4) где ê L ' – удельное поглощение кислородом â L ' – удельное поглощение водяным паром γ – угол места â h – эквивалентная толщина водяного пара ê h – эквивалентная высота слоя кислорода. При расчетах затухания сигналов в стандартной атмосфере эквивалентную высоту слоя кислорода принимают равной 6 км, тогда как эквивалентную толщину водяного пара можно вычислить по эмпирической формуле 1 8 , 323 1 1 3 , 183 1 3 , 22 3 2 , 2 2 2 2 f f f h a . (3.5) Расчет толщины водяного пара при ГГц 228 , 2 1 8 , 323 12 1 1 3 , 183 12 1 3 , 22 12 3 2 , 2 2 2 км. Расчет толщины водяного пара при ГГц 242 , 2 1 8 , 323 14 1 1 3 , 183 14 1 3 , 22 14 3 2 , 2 2 2 2 a h км. 39 Пример расчета поглощения сигнала в спокойной атмосфере зима день при 12 ГГц. 182 , 0 4 27 sin 012 , 0 228 , 2 01 , 0 6 c L дБ. Остальные расчеты были сделаны аналогично поданным из таблице 3.2, таблице 3.3 и результаты расчетов приведены в таблице 3.4 Таблица Поглощение сигнала в спокойной атмосфере Время года Время суток 12 ГГц 14 ГГц Зима день 0,182 0,197 ночь 0,204 0,221 весна день 0,143 0,155 ночь 0,167 0,178 лето день 0,122 0,132 ночь 0,14 0,152 осень день 0,151 0,165 ночь 0,166 0,18 Вычисление затухания сигнала при осадках l I а L b Д ; (3.8) 49 , 2 5 10 а ; (3.9) 272 , 0 41 , 1 f b ; (3.10) мм/ч. 10 I при ) 10 ( log мм/ч. 10 I при 10 и и I h h h Д ; (4.11) c h 1 , 0 и ; (4.12) sin зс h h l Д , (4.13) где а - коэффициенты l - длина пути сигнала I - интенсивность осадков 40 Д- затухание сигнала в осадках Д- эффективный коэффициент дождевого слоя зс h - высота ЗС над уровнем моря - угол места антенны ЗС; и h -высота нулевой изотермы c - широта точки размещения ЗС наземной поверхности f - частота. Таблица Интенсивность осадков т времени года Время года Интенсивность осадков мм/ч Зима 7 Весна 5 Лето 13 осень 11 Расчет затухания сигнала в осадках, зимой при 12 ГГц 02 , 0 12 10 21 , 4 49 , 2 аи Д 787 , 5 4 , 27 sin 037 , 0 7 , 2 l ; 137 , 1 787 , 5 7 02 , 0 Д дБ. Остальные расчеты были сделаны аналогично поданным из таблице 3.5 и результаты расчетов приведены в таблице 3.6 Таблица Поглощение сигнала в осадках при 12 и 14 ГГц Время года 12 ГГц 14 ГГц Зима 1,137 1,625 Весна 0,769 1,104 Лето 2,434 3,448 осень 2,19 3,106 41 3.2.2 Ослабление сигнала а атмосфере в городе Костанай представлены в таблице 3.7 Таблица Погодные данные города Кустанай Погодные данные зима весна лето осень день ночь День ночь день ночь день ночь Температура К 261 251 281 271 299 276 281 271 Давление кПа 100 100 100 99 99 99 97 101 Влажность воздуха гм 1,45 0,8 3,84 3,58 10,73 8,49 3,76 3,12 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,01 0,011 ночь 0,011 0,0073 весна день 0,0084 0,019 ночь 0,0091 0,022 лето день 0,007 0,04 ночь 0,0086 0,048 осень день 0,0079 0,018 ночь 0,0095 0,019 Рисунок 3.5 – Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц 42 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 14 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,011 0,021 ночь 0,012 0,014 весна день 0,0091 0,038 ночь 0,00985 0,042 лето день 0,0075 0,079 ночь 0,0094 0,093 осень день 0,0086 0,036 ночь 0,01 0,037 Таблица Поглощение сигнала в спокойной атмосфере Время года Время суток 12 ГГц 14 ГГц Зима день 0,148 0,193 ночь 0,198 0,215 весна день 0,145 0,158 ночь 0,157 0,171 лето день 0,12 0,13 ночь 0,149 0,162 осень день 0,137 0,148 ночь 0,163 0,178 Таблица Интенсивность осадков от времени года Время года Интенсивность осадков мм/ч Зима 4 Весна 6 Лето 16 осень 11 Таблица Поглощение сигнала в осадках при 12 и 14 ГГц Время года 12 ГГц 14 ГГц Зима 0,505 0,81 Весна 0,81 1,159 Лето 2,75 3,885 осень 1,666 2,336 3.2.3 Ослабление сигнала атмосфере в городе Усть-Каменогорск представлены в таблице 3.13 43 Таблица Погодные данные города Усть-Каменогорск Погодные данные зима весна лето осень день ночь день ночь день ночь день ночь Температура К 263 253 260 273 300 294 285 273 Давление кПа 100 100 98 98 97 97 99 99 Влажность воздуха гм 1,51 0,83 1,03 4,07 13,89 17,29 5,86 4,36 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,01 0.011 ночь 0,011 0,0072 весна день 0,00997 0,0076 ночь 0,0087 0,023 лето день 0,0066 0,051 ночь 0,00697 0,071 осень день 0,008 0,027 ночь 0,0089 0,025 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 14 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима День 0,011 0,021 Ночь 0,012 0,014 весна День 0,011 0,015 Ночь 0,0095 0,046 лето День 0,0072 0,1 Ночь 0,0076 0,14 осень День 0,0086 0,054 Ночь 0,0097 0,05 Таблица Поглощение сигнала в спокойной атмосфере Время года Время суток 12 ГГц 14 ГГц Зима день 0,15 0,163 ночь 0,167 0,181 весна день 0,149 0,162 ночь 0,13 0,142 лето день 0,099 0,107 ночь 0,104 0,113 осень день 0,118 0,128 ночь 0,133 0,145 44 Таблица Интенсивность осадков от времени года Время года Интенсивность осадков мм/ч Зима 7 Весна 10 Лето 17 осень 14 Таблица Поглощение сигнала в осадках при 12 и 14 ГГц Время года 12 ГГц 14 ГГц Зима 0,942 1,345 Весна 1,425 2,028 Лето 2,87 4,051 осень 2,223 3,146 3.2.4 Ослабление сигнала атмосфере в городе Астана Таблица Погодные данные города Астана Погодные данные зима Весна лето осень день ночь день ночь день ночь день ночь Температура К 261 251 282 271 300 283 282 271 Давление кПа 98 98 97 97 97 97 98 98 Влажность воздуха гм 1,62 0,81 4,04 3,5 12,02 9,16 4,04 3,29 Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,0099 0,012 ночь 0,011 0,00723 весна день 0,0078 0,019 ночь 0,0087 0,021 лето день 0,0066 0,044 ночь 0,0077 0,044 осень день 0,008 0,02 ночь 0,0089 0,02 45 Рисунок 3.6 – Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 12 ГГц Таблица Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 14 ГГц Время года Время суток k ' L в L ' Зима день 0,011 0,023 ночь 0,012 0,014 весна день 0,0085 0,038 ночь 0,0095 0,041 лето день 0,0072 0,086 ночь 0,0084 0,087 осень день 0,0087 0,038 ночь 0,0097 0,038 Рисунок 3.7 – Удельное поглощение в кислороде и водяном паре при 14 ГГц 46 Таблица Поглощение сигнала в спокойной атмосфере Время года Время суток 12 ГГц 14 ГГц Зима день 0,155 0,169 ночь 0,175 0,19 весна день 0,128 0,135 ночь 0,137 0,149 лето день 0,104 0,113 ночь 0,122 0,132 осень день 0,126 0,137 ночь 0,14 0,152 Рисунок 3.8 – Поглощение в спокойной атмосфере при 12 и 14 ГГц Таблица Интенсивность осадков от времени года Время года Интенсивность осадков мм/ч Зима 6 Весна 8 Лето 15 Осень 12 Таблица Поглощение сигнала в осадках при 12 и 14 ГГц Время года 12 ГГц 14 ГГц Зима 0,714 1,022 Весна 0,997 1,422 Лето 2,439 3,448 Осень 1,725 2,446 47 Рисунок 3.9 – Поглощение сигнала при осадках при 12 и 14 ГГц |