курсовая Построение современных систем сотовой связи. Построение современных систем сотовой связи. Курсовая работа Построение современных систем сотовой связи
 Скачать 7.23 Mb.
|
 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГАОУ ВО «БАЛТИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ИММАНУИЛА КАНТА» ИНСТИТУТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Курсовая работа «Построение современных систем сотовой связи» Студента 2 года обучения магистратуры Направления подготовки 11.04.02«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Профиль подготовки «Системы и сети мобильной радиосвязи» Калининград 2020 год Оглавление Введение 4 1. АНАЛИЗ СТАНДАРТОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ 6 2. ПРОЦЕДУРА УСТАНОВЛЕНИЯ ВЫЗОВА 9 3 Расчет основных параметров сотовой сети связи 13 3.1 Расчет числа радиоканалов. Общее число частотных каналов 14 3.2 Определение размерности кластера. Для определения необходимой размерности кластера С при заданных значениях p0 и pt используют соотношение 14 3.3 Расчет числа радиоканалов, которые используются одной BTS. Число частотных каналов, которые используются для обслуживания абонентов в одном секторе соты, определяется по формуле 19 3.4 Расчет допустимой телефонной нагрузки. Величина допустимой телефонной нагрузки в одном секторе одной соты определяется соотношением 19 3.5 Расчет числа абонентов, которые обслуживаются одной BTS. При заданной активности одного абонента в час наибольшей нагрузки можно рассчитать число абонентов, которые обслуживаются одной BTS по формуле 20 3.6 Расчет количества базовых станций. Необходимое число базовых станций на заданной территории обслуживания определяется соотношением 22 3.7 Расчет радиуса зоны обслуживания базовой станцией. Величину радиуса соты можно определить, используя выражение 23 3.8 Расчет величины защитного расстояния. Величина защитного расстояния между BTS с одинаковыми частотными каналами определяется соотношением 23 3.9 Расчет уровня сигнала на входе приемника MS. Необходимую мощность на входе приемника MS при и определяют, пользуясь так называемым первым уравнением передачи. 23 3.10 Расчет вероятности ошибки. Для определения вероятности ошибки, когда MS находится на границе зоны обслуживания BTS, необходимо использовать соотношение 24 3.11 Расчет эффективности использования радиоспектра. Важным параметром сотовой сети связи является эффективность использования радиоспектра , обусловленная числом активных абонентов на 1 МГц полосы частот на передачу (или прием) BTS, то есть 25 3.12 Разработка частотно-территориального плана сети. Величина коэффициента повторного использования частот определяется соотношением 26 Заключение 27 Библиографический список 28 Введение Сотовая связь, сеть подвижной связи - один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть, имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами). Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого. Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450 ) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Целью данного курсового проекта является расчет построения сотовой сети в нулевом приближении в стандарте GSM-1800. 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 на заданной территории. Данный цифровой стандарт с диапазоном частот 1710 - 1880 МГц является модификацией стандарта GSM-900. Его особенности: максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт (для сравнения у GSM-900 - 2Вт). Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение неблагоприятного воздействия на потребителя. Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера. Высокая емкость сети, что важно для крупных городов. Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 или GSM-1800. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге. Максимальное удаление абонента от базовой станции - 5-6 километров. 1. АНАЛИЗ СТАНДАРТОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ Стандарт GSM GSM (от названия группы Group Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) - глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени (TDMA) и частоте (FDMA). Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов. относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G - аналоговая сотовая связь, 2G - цифровая сотовая связь, 3G - широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями в том числе Интернет). В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования. Однодиапозонные - телефон может работать в одной полосе частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённого диапазона частот в некоторых моделях телефонов. Двухдиапазонные (Dual Band) - для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады. Трёхдиапазонные (Tri Band) - для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады. Четырехдиапазонные (Quad Band) - поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900. В стандарте GSM применяется GMSK модуляция величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения. . Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой станции к телефону). Количество реальных каналов связи гораздо больше чем написано выше в таблице, т.к присутствует еще и временное разделение каналов TDMA, т.е на одной и той же частоте могут работать несколько абонентов с разделением во времени. В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц (MS -> BTS) и 925-960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM). Модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц. Особенности: Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт, для сравнения у GSM-900 - 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения. Высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов. Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счёт низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге. Сеть GSM 900-1800 - это единая сеть, с общей структурой, логикой и мониторингом в которой телефон никуда не переключается. Вручную можно только запретить использовать один из диапазонов в тестовых или очень старых аппаратах. Проблема состоит в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандартах GSM-900. Необходимо большее число базовых станций. Чем выше частота излучения, тем больше проникающая способность (характеризуется т.н. глубиной скин - слоя) радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды. Дальность связи в GSM лимитирована задержкой сигнала Timing advance и составляет до 35 км. При использовании режима extended cell возрастает до 75 км. Практически достижимо только в море, пустыне и горах. Стандарт CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) - технология множественного доступа с кодовым разделением каналов, стандарт связи третьего поколения. Стандарт CDMA был разработан в 1993 году и на данный момент является наиболее перспективным в плане развития и принятия общего стандарта связи. Стандарт CDMA является цифровым стандартом. Множественный доступ с кодовым разделением означает, что несколько абонентов могут пользоваться один пулом радиоканалов, не пересекаясь в разговоре благодаря кодовому разделению каналов. CDMA обеспечивает высокое качество связи, высокую конфиденциальность разговоров, низкий уровень шумов одновременно с низкой мощностью излучения передатчиков. Емкость сети CDMA в десятки раз выше, чем у любых аналоговых или цифровых стандартов благодаря возможности многократного использования полосы пропускания сети. CDMA позволяет одновременно с разговором принимать и отправлять факсимильные сообщения и данные. Диапазон частот, в котором работает стандарт CDMA IS-95 лежит около 800 МГц, CDMA PCS - 1900 МГц. Мощность передатчиков абонентских устройств менее 0,1 Вт. 2. ПРОЦЕДУРА УСТАНОВЛЕНИЯ ВЫЗОВА На схеме (рис.1) изображена процедура установления вызова в стандарте GSM.  Рис. 1. Структурная схема основных элементов сети GSM. Система GSM состоит из трёх основных подсистем: подсистема базовых станций (BSS - Base Station Subsystem), подсистема коммутации (NSS - Network Switching Subsystem), центр технического обслуживания (OMC - Operation and Maintenance Centre). В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства - подвижные станции (MS - Mobile Station), также известные как мобильные (сотовые) телефоны. Подсистема базовых станций. BSS состоит из собственно базовых станций (BTS - Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC - Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется техническим термином «Handover»). Естественно, что на самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая площадь в виде круга, но при пересечении получаются правильные шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем, что в задачи планирования размещения станций входила такая, как минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем 6 - особых выгод не несёт. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем - шестиугольники. Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т.д. Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover. Подсистема коммутации, состоит из нижеследующих компонентов. Центр коммутации (MSC - Mobile Switching Centre). MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передаёт их в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова. Домашний регистр местоположения (HLR - Home Location Registry). Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга - и MSC других сетей. Гостевой регистр местоположения (VLR - Visitor Location Registry). VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM - так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова. Регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Registry) Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS, запрещённые к применению). У российских операторов (и большей части операторов стран СНГ) используются только белые списки, что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов. Центр аутентификации (AUC - Authentification Centre). Здесь производится аутентификация абонента, а точнее - SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» - SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной. Центр технического обслуживания. Подсистема OMC (Operations and Maintenance Centre). Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций. 3 Расчет основных параметров сотовой сети связиВ соответствии с заданием на курсовое проектирование и техническими параметрами, определяемыми стандартом ССС, исходными данными для проектирования являются: 1. Стандарт GSM 900 2. Полоса частот BTS на передачу, МГц 3,2 3. Число обслуживаемых абонентов 40000 4. Активность одного абонента ЧНН, Эрл 0,026 5. Вероятность блокирования вызова 0,11 6. Допустимый процент времени уменьшения PС/PПОМ относительно защитного отношения 10% 7. Площадь обслуживаемой территории, кв.км.764 8. Параметр, определяющий диапазон случайных флуктуаций уровня сигнала, дБ 5 9. Чувствительность приемника MS, дБВт - 105 10. Мощность передатчика BTS, Вт 220 11. Коэффициент усиления антенны BTS, дБ 11 12. Высота подвеса антенны BTS, м 30 13. Полные потери в фидере BTS, дБ 2 3.1 Расчет числа радиоканалов. Общее число частотных каналов Выделенных для развертки сотовой сети связи в данном месте, определяется по формуле  , (1) где int (x) - целая часть числа х; Fk - полоса частот, занятая одним частотным каналом системы сотовой связи (частотный разнос между каналами). 3.2 Определение размерности кластера. Для определения необходимой размерности кластера С при заданных значениях p0 и pt используют соотношение  , (2)где p (C) - процент времени, в течение которого соотношения мощность сигнала/ мощность помехи на входе приемника MS будет находиться ниже защитного отношения  .Интеграл представляет собой табулированную Q-функцию  . (3)Нижний придел этого интервала имеет вид  , (4)где и  выражены в дБ; - определяется соотношением . (5)В свою очередь значения и  определяются по формулам , (6) , (7)где  - параметр, который определяет диапазон случайных флуктуаций уровня сигнала в точке приема:  . (8)Коэффициент  в (7) представляет собой медианное значение затухания радиоволн на i-му направлении увеличении помехи. Эти коэффициенты обратно пропорциональны четверти степени расстояния до источника помехи. Величина М обозначает число "мешающих" базовых станций, расположенных в соседних кластерах.Сначала рассмотрим случай, для всенаправленной антенны, где  ,  ,  и  ,  ,  ;где  - число секторов.Выберем значение С=3.   , (9) Определим   Вычислив квадратный корень, из получившегося значения определяем  Отсюда следует   Теперь вычислим нижнюю границу Q-функции  Этому значению в таблице соответствует величина, равная  , это значение приблизительно равно единице. Считая по формуле (2), получаем Получившееся значение больше  , которое из задания равно 10. Отсюда следует, что данный тип антенны и выбранное значение кластера не подходит для указанного стандарта.Теперь рассмотрим случай для направленной антенны, у которой угол диаграммы направленности  ,  , М=2 и  ,  .Выберем значение С=4.  Определим  Вычислив квадратный корень, получаем  Отсюда следует   Теперь вычислим нижнюю границу Q-функции  Этому значению в таблице соответствует величина, равная 0,0838. Считая по формуле (2), получаем  Получившееся значение немного меньше , отсюда вытекает, что данный тип антенны является наиболее подходящим.3.3 Расчет числа радиоканалов, которые используются одной BTS. Число частотных каналов, которые используются для обслуживания абонентов в одном секторе соты, определяется по формуле  , (10) Здесь - число секторов.3.4 Расчет допустимой телефонной нагрузки. Величина допустимой телефонной нагрузки в одном секторе одной соты определяется соотношением  (11)при условии, что  , (12)где  ; - число абонентов, которые могут одновременно использовать один частотный радиоканал. В данном случае величина na=8, т.к. используется цифровой стандарт. Подкоренное выражение больше, чем величина  , т.к. .  3.5 Расчет числа абонентов, которые обслуживаются одной BTS. При заданной активности одного абонента в час наибольшей нагрузки можно рассчитать число абонентов, которые обслуживаются одной BTS по формуле  (13) 3.6 Расчет количества базовых станций. Необходимое число базовых станций на заданной территории обслуживания определяется соотношением  , (14) где  - заданное число абонентов, которых обслуживает сотовая сеть связи.3.7 Расчет радиуса зоны обслуживания базовой станцией. Величину радиуса соты можно определить, используя выражение  (15) 3.8 Расчет величины защитного расстояния. Величина защитного расстояния между BTS с одинаковыми частотными каналами определяется соотношением  (16)  3.9 Расчет уровня сигнала на входе приемника MS. Необходимую мощность на входе приемника MS  при  и  определяют, пользуясь так называемым первым уравнением передачи. (17) где  - коэффициент усиления антенны базовой станции, дБ;f - средняя частота выделенного диапазона частот;  - мощность передатчика BTS, дБВт; - потери в фидере BTS, дБ; - длинна фидера, которая может быть равной или больше высоты подвеса антенны BTS; - погонное ослабление фидера, дБ/м.3.10 Расчет вероятности ошибки. Для определения вероятности ошибки, когда MS находится на границе зоны обслуживания BTS, необходимо использовать соотношение  (18) 3.11 Расчет эффективности использования радиоспектра. Важным параметром сотовой сети связи является эффективность использования радиоспектра  , обусловленная числом активных абонентов на 1 МГц полосы частот на передачу (или прием) BTS, то есть (19)где полоса частот на передачу (или прием)  , число активных абонентов  . (20)где  - радиус территории, которая обслуживается,  .Отсюда  (21) 3.12 Разработка частотно-территориального плана сети. Величина коэффициента повторного использования частот определяется соотношением  (22) Ранее рассчитано, что размерность кластера С=4. Тогда территориальное размещение BTS можно осуществить так, как показано на рисунке 2.  Рисунок 2 - План территориального размещения BTS Определив значение коэффициента повторного использования частот, можно представить графически территориальный план сотовой сети. ЗаключениеВ ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены общие принципы построения сети сотовой связи на базе стандарта GSM-900 методом частотного планирования, требования и рекомендации по размещению оборудования БС; рассчитаны качественные параметры сети и ее надежность. Библиографический список1. Лоскутов Е.Д., Горяинов М.Ф., Княгинин А.А. Методические указания по оформлению выпускных квалификационных работ - Ставрополь, 2014. - 70с. 2.В.М. Вишневский. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Техносфера, 2005 3. Емельянов В.В. Сотовая связь. Часть 1. Учебное пособие. - Харьков: ХНУРЭ, 2002. - 136 с. 4. Джим Гейер - Беспроводные сети. Первый шаг, 2004г. 5. Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. - К.: "ЕКМО", 2009. - 672 с. 6. Букрина Е.В. Сети связи и системы коммутации: Учебное пособие / Е.В. Букрина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО "СибГУТИ", 2007. - 186с. |