Задание Системы связи с подвижными объектами. Евдокименко Задание Системы связи с подвижными объектами. Курсовой проект По дисциплине Системы связи с подвижными объектами
 Скачать 1.46 Mb.
|
 Рисунок 1.1 – Принцип организации сети сотовой связи Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников, которые имеют сходство с пчелиными сотами, это и послужило поводом назвать систему сотовой. Сотовая структура сети непосредственно связана с принципом повторного использования частот, согласно которому одни и те же частоты могут повторяться в ячейках, удаленных друг от друга на определенное расстояние. В центре каждой соты расположена базовая станция (БС), которая в пределах своей ячейки обслуживает все подвижные станции. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Коммутация каналов базовых станций осуществляется в центре коммутации (MSC), который может подключаться к телефонной сети общего пользования (ТФОП). Выбор в качестве модели ячейки сотовой связи правильного шестиугольника обусловлен следующими обстоятельствами: достигается наибольшее приближение к реальной излучающей антенне, имеющей, как правило, круговую диаграмму направленности; оптимальным образом осуществляется покрытие заданной области, т.е. требуется меньшее по сравнению с другими плоскими правильными фигурами количество шестиугольников; получаемая геометрия покрытия наиболее проста для практической реализации. В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов (рисунок 1.2). Кроме того, в пределах зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала невозможен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизительно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно. Если на БС используются направленные антенны, то БС фактически оказываются на границах соты.  Рисунок 1.2 – Приблизительный вид реальных сотовых ячеек Зона обслуживания системы GSM разделена на фрагменты (рисунок 1.3), каждый из которых обслуживает центр коммутации подвижной связи (Mobile Swiching Center – MSC). MSC представляет собой специализированный центр электронной коммутации, к которому добавлены функциональные блоки, решающие задачи, характерные для сотовой связи. Каждый центр MSC соединен с соответствующим визитным регистром местоположения (Visitor Register - VLR). Этот регистр содержит необходимую информацию о подвижных станциях, временно расположенных в зоне обслуживания местного MSC. Кроме VLR система GSM каждого оператора оборудована тремя другими регистрами: HLR (Home Location Register) – домашний регистр местоположения – база данных подвижных станций , постоянно зарегистрированных в системе конкретного оператора; AUC (Authentication Center)- база данных, позволяющая определить, разрешен ли допуск к услугам системы абоненту, имеющему данный модуль подлинности – SIM карту (Subscriber Identity Mobile); EIR (Equipment Identification Register)- база данных серийных номеров подвижных станций, используемых в системе. Номера украденных или потерянных телефонов помещаются в черный список, что позволяет предотвратить дальнейшее использование в системе этих телефонов.  Рисунок 1.3 – Обобщенная структура системы GSM Регистр HLR представляет собой центральную базу данных, в которой хранятся постоянные параметры пользователей и сведения об их текущем местоположении. Информация, хранящаяся в HLR, позволяет системе установить соединение с пользователями, даже если они в этот момент временно зарегистрированы в другой сети GSM. Запись о пользователе содержит также перечень дополнительно используемых им услуг и ключи шифрования для цифровой передачи данных и идентификации пользователя. HLR и VLR обмениваются данными об абонентах, расположенны в данный момент в зоне обслуживания данного VLR. Такое взаимодействие позволяет определить текущее местоположение вызываемого пользователя по информации из его родного HLR и установить соединение с тем MSC, который работает совместно с регистром VLR, в настоящий момент содержащим информацию об абоненте. VLR также содержит информацию, необходимую для осуществления вызова с подвижной станции. Центры коммутации подвижной связи MSC соединены друг с другом. Один или более MSC , называемые транзитными центрами коммутации подвижной связи (Gatevay Mobile Swiching Center- GMSC), играют роль шлюзов во внешние сети. Каждый MSC контролирует, по крайней мере, одну подсистему базовых станций (Base Station System),которая состоит из контроллера базовых станций (Base Station Controller-BSC) и некоторого количества базовых станций (Base Transcenter Station BTS или просто BS). Базовая станция состоит из подсистемы, выполняющей основные функции передачи и приема сигналов. А также блока, реализующего простые функции контроля и управления. В базовой станции выполняются также процедуры кодировании/декодирования речи и производится адаптация скорости передачи данных. Базовые станции располагаются обычно в центрах сот, покрывающих область обслуживания системы. Основная задача MSC заключается в координации установления соединения между двумя мобильными абонентами или между одним пользователем системы GSM и абонентом внешней сети, например, PSTN, ISDN или PSDN (Packet Switched Data Network-сеть с коммутацией пакетов данных). Эта задача решается выполнением следующих функций: установление и поддержание входящих и исходящих соединений абонентов; динамическое управление ресурсами в зоне обслуживания данного MSC; перемаршрутизация соединения в новую соту, обслуживаемую другим контроллером базовых станций (хэндовер); обеспечение взаимодействия с другими сетями (в случае GMSC); шифрование двоичного потока данных пользователя; изменение выделенных BTS несущих частот, обусловленное перераспределением ресурсов системы в зависимости от конкретной нагрузки на данную часть сети. Информационный обмен между MSC и BTS стандартизуется при помощи А-интерфейса, тогда как Аbis – интерфейс стандартизует обмен данных между контроллером базовых станций и BTS. А-интерфейс связан с сетевыми и коммутационными аспектами работы системы, например, с функциями коммутатора MSC и регистров HLR и VLR, а также: с управлением постоянными соединениями и сетью, с контролем и шифрованием информации и данных сигнализации, с обновлением данных местоположения мобильной станции и ее аутентификацией, с управлением вызовами. Аbis – интерфейс предназначен для информационного обмена, относящегося к радиопередаче. Он связан с вопросами распределения каналов, контроля соединений, организации очередей сообщений перед их отправкой, контроля скачкообразной перестройки частоты несущей, канального кодирования и декодирования, кодирования и декодирования речевых сигналов, шифрования сообщений, а также управления мощностью излучения базовой станции. Интерфейс Um (Air-интерфейс) определяет правила информационного обмена между BTS и мобильной станцией. Центр эксплуатации и технического обслуживания (Operation and Maintenance Center - OMC) обеспечивает работу отдельных элементов сети GSM. Он соединен со всеми элементами коммутационной сети и выполняет функции администрирования, такие, как, тарификация и мониторинг трафика, а также принимает необходимые меры в случае отказа отдельных элементов сети. Одна из наиболее важных задач ОМС – это управление регистром HLR. ТСЕ - транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с). Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE - иногда называется RELP). Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций - BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стаффинг) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM З0-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), "временное окно", выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25 МККТТ. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с. MS - подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллектуальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер (IМЕI). Этот номер используется для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий. 2 Краткая характеристика населенного пункта Город Северск в Томской области. Административный центр закрытого административно-территориального образования Городской округ ЗАТО Северск. Население — 107 498 чел. (2018г.). Город расположен на правом берегу реки Томь, к северо-западу от Томска. Северск находится в южной части Томской области, северо-западнее областного центра и имеет смежные границы на юго-востоке с г. Томском, на востоке – с Томским районом, на юго-западе и западе граница земель проходит по урезу правого берега реки Томь. Расстояние от границы г. Северска до границы г. Томска – 3,47 км, до ближайшей железнодорожной станции Томск-II – 8,45 км. Площадь территории ЗАТО Северск - 486км2. При этом большая часть города относится к промышленной зоне. Климатические условия: континентальный климат с теплым летом и холодной зимой. Специфика: имеет статус закрытого административно-территориального образования с монопрофильным характером экономики и особый режим безопасного функционирования c ограничением на въезд и проживание граждан. Ведущее направление – производство ядерного топлива. Кроме этого на территории Северска работают предприятия строительно-монтажного комплекса, пищевой промышленности, судостроительно-судоремонтный завод, стекольный завод, предприятия малого и среднего бизнеса. Ведется подготовка к строительству Северской АЭС.  Рисунок 2.1 – Карта города г. Северск Условия распространения сигнала – пригород, так как в данном населенном пункте преобладают строения малой этажности. 3 Расчет зоны обслуживания базовой станции При проектировании системы радиосвязи определяющим фактором является оценка ее эффективности. Для сетей подвижной радиосвязи это означает обеспечение радиообмена для любых абонентов с заданным качеством на пределе расчетной дальности. При этом понятие качества трактуется как предоставление канала связи с удовлетворительно низкой вероятностью отказа или чрезмерного ожидания, и достаточной разборчивостью при аналоговой телефонии, или достаточно малой вероятностью поэлементной ошибки при передаче цифровых каналов. Данные многочисленных измерений, проведенные различными исследователями, показывают, что мощность сигнала на входе приемника  , необходимая для обеспечения удовлетворительного качества приема, должна превышать пороговую мощность сигнала  (чувствительность приемника).Таким образом, с учетом внешних шумов в пределах некоторой территориальной зоны уровень мощности сигнала на входе приемника определяется выражением:  (3.1)Значение чувствительности приемника определяется его собственными шумами и как правило, приводится в паспорте приемника. Внешние шумы, поступающие на вход приемника, обусловлены паразитными излучениями высоковольтных ЛЭП, различного промышленного оборудования, а также шумами от систем автомобильного зажигания. При выполнении курсового проекта шумы внешнего происхождения не учитываются.Расчет радиуса зоны обслуживания базовой станции для одного направления проводится по методу Окамуры. Результатом расчета является определение радиуса зоны обслуживания в заданном направлении. На практике расчет зон обслуживания базовых станций производится, как минимум, для 16-ти направлений. В данном курсовом проекте расчет зон обслуживания базовых станций производится для 4-х направлений (север, юг, запад восток). Для случая свободного пространства уровень мощности полезного сигнала на входе приемника равен:  , (3.2)где:  – уровеньмощности сигнала на выходе передатчика базовой станции; и  – усиление антенн базовой и мобильной станции соответственно, дБ; – затухание сигнала в свободном пространстве, дБ, определяемое по выражению: , (3.3)где:  – расстояние между БС и МС; – рабочая длина волны (при расчете длины волны необходимо использовать верхние граничные частоты заданных полос частот): ; .В реальных условиях пересечённой, неоднородной по своим электрофизическим свойствам местности, или на территории современных городов с их сложной архитектурной планировкой, предсказание уровня принимаемого сигнала, т.е. достоверный расчет затухания на трассе распространения с учетом различных факторов влияния является сложной задачей. Обусловлено это тем, что трассам между базовой и подвижными станциями практически всегда присущи явления искажений, рассеяния, поглощения энергии радиоволн различными объектами. Этим обусловлен эффект многолучевого распространения - главной причины замираний сигналов. Причем, механизмы образования многолучевости случайно проявляются во времени и в пространстве. В наиболее общем случае, когда движется мобильная станция и, соответственно, случайно изменяются многочисленные отражающие и рассеивающие объекты, результирующий сигнал на входе приемника представляет собой векторную сумму всех парциальных волн с различным временем и углами прихода. Все это приводит к искажению формы принимаемого сигнала, изменению его параметров а, значит, к потере получаемой информации. Поэтому распространение радиоволн между объектами радиосвязи обычно описываются физическими и математическими моделями. Изменения уровней сигналов на небольших площадях были исследованы японским ученым Окамура, который разработал статистическую модель, согласно которой уровень сигнала на выходе приемной антенны может быть определен с учетом параметров предполагаемой зоны обслуживания, а именно: степени пересеченности рельефа местности, определяемой перепадами высот на некоторой дистанции; характера местности на обслуживаемой территории (открытое пространство, сельская местность, пригород, город). Однако, расчет зоны обслуживания по методу Окамура, предусматривает определение ее предполагаемых размеров в условиях прямой видимости между базовой и абонентской радиостанциями. При этом не учитывает естественных или искусственных препятствий на трассе БС - МС, определяющих явление областей тени, связь в которых невозможна. Поэтому расчеты по этой методике показывают лишь возможные границы зоны радиосвязи, а получение реальной картины обеспечивается дополнительными расчетами при наличии данных по застройке или препятствиях на исследуемой трассе. Как уже было отмечено, условием устойчивой радиосвязи является выполнение на всей территории обслуживания неравенства (3.1). Если предположить, что базовая станция располагается в центре зоны обслуживания и характер местности одинаков в пределах зоны обслуживания, то средний уровень мощности сигнала на выходе приемной антенны может быть определен следующим образом: |