курсовая. Методическое пособие по курсовому проектированию Хабаровск Издательство двгупс 2 012 удк 621. 39 (075. 8) Ббк з 988я73
 Скачать 284.66 Kb.
|
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Телекоммуникации» Г.В. Колодезная Основы теории связи с подвижными объектами Методическое пособие по курсовому проектированию Хабаровск Издательство ДВГУПС 2  012УДК 621.39 (075.8) ББК З 988я73 К 610 Рецензент – кандидат технических наук, директор Института управления, автоматизации и телекоммуникаций ДВГУПС, доцент Е.З. Савин Колодезная, Г.В. П 610 Основы теории связи с подвижными объектами : метод. пособие по курсовому проектированию / Г.В. Колодезная. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 26 с.: ил. В методическом пособии рассмотрены принципы построения беспроводных сетей для различных стандартов сотовой связи. Предназначено для студентов дневной формы обучения, изучающих дисциплину «Стандарты и технологии систем мобильной связи». УДК 621.39 (075.8) ББК З 988я73 ©  ДВГУПС, 2012Введение Курсовой проект по дисциплине «Стандарты и технологии систем мобильной связи» предполагает планирование в нулевом приближении сети сотовой связи для следующих стандартов: GSM-900, GSM-1800 и CDMA. 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. 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 Мсети, тыс. чел. 4. Площадь зоны обслуживания Scети, км2. Варианты исходных данных приведены в прил. 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 приведены на рис. 1.  Рис. 1. Типы кластеров При выполнении курсовой работы требуется: произвести оптимальный выбор частотных каналов; рассчитать число сот в сети; найти максимальное удаление в соте абонентской станции от базовой станции; рассчитать потери на трассе; определить мощность передатчиков базовой станции; рассчитать электропитание базовой станции; рассчитать надежность сети сотовой связи. 2. Первый этап выполнения проекта Н  Рис. 2. Секторизованная сота а первом этапе выполнения проекта должно быть найдено оптимальное решение по п. 1–3 вышеприведенных 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, а для сетей GSM-1800 – не менее 0,6–0,8 км, для сетей CDMA – не менее 0,5–1 км (рис. 2) [1, 2]. Так как в одном частотном канале GSM существуют 8 независимых физических каналов, то по табл. 1 определяем число каналов трафика. Таблица 1 Определение числа каналов трафика
Для сетей CDMA на одной частоте передается до 25 каналов трафика. 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 эрланг. 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. Таблицы Эрланга приведены в прил. 2. 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 (рис. 4.2)  ,причем R – максимальное удаление мобильной станции от базовой станции в соте. Поясним приведенный алгоритм расчета на примере случая, когда в соте работают 2 частотных канала. Исходные данные: площадь сети Sceти = 80 км2, число абонентов в сети Мсети = 55 000 чел. В соответствии с табл. 1 при 2 частотных каналах в соте можно организовать 14 каналов трафика. Задавшись ротк = 0,02 по таблицам Эрланга находим Асот = 8,2 Эрл. Примем 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 = 55 000/550 = 100. Площадь одной соты scot = sсети/qсот; scot = 80/100 = 0,8 км2 . Радиус соты  Это число приемлемо для сетей GSM-1800, но на грани допустимого для сетей GSM-900. В результате расчетов на первом этапе выполнения курсовой работы должна быть заполнена табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета первого этапа
На основе анализа данных табл. 2 следует выбрать оптимальный вариант сети, который бы минимизировал общее число частотных каналов при допустимых размерах сот. 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 по результатам 1-го этапа. Уравнения баланса мощностей составляют на основе учета всех особенностей прохождения сигнала на трассе согласно рис. 3. [1]. 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.  Рис. 3. Трасса прохождения сигнала: 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 Некоторые полезные соотношения между Р, дБм, и Р, мВт, приведены в табл. 3. Таблица 3 Соотношения между Р, дБм, и Р, мВт
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 (1) и (2) все коэффициенты усиления и ослабления выражены в децибелах, а мощности – в децибелах на милливатт. 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, в абонентских станция CDMA максимальная выходная мощность передатчиков Poutac = 200 мВт. Минимальная чувствительность приемников Pinac = –104 дБм во всех диапазонах. Чувствительность приемников базовых станций при наличии дополнительного малошумящего усилителя ТМА (см. рис. 3) 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 (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 (2)] можно принять Lf Бс = 2 дБ, Gaбс = 15–17 дБ, LC = 0, если в соте 1 или 2 частоты, и 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]. 3.2. Определение потерь на трассе Потери на трассе определяем по модели Окумура – Хата [1]. 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 = 1–10 м [1]. В городской зоне  ,где нбс – эффективная высота подъема антенны базовой станции, м; нас – высота антенны подвижной станции над землей, м; R – расстояние между передатчиком и приемником, км; F – частота сигнала, МГц. Здесь  – корректировочный фактор:для малых и средних городов  ;б) для больших городов  ;– в пригородной зоне  – в сельской местности  В диапазоне 1800 МГц и выше расчеты ведут на модели COST 231 Хата [COST 231 TD (90) 119]. Условия применимости модели: F = 1500–2000 МГц; НБС = 30–200 м; нас = 1–10 м [1]. В среднем городе и пригородном центре с умеренной плотностью посадки деревьев  где нбс – эффективная высота подъема антенны базовой станции, м; нас – высота антенны подвижной станции над землей, м; R – расстояние между передатчиком и приемником, км; F – частота сигнала, МГц; В центре столичного города (metropolitan centres)  В сельской местности – квазиоткрытая зона (Rural Quasi – Open)  .Так как конкретные частотные каналы неизвестны, то при расчетах сетей GSM-900 следует ориентироваться на средние частоты диапазонов, приведенные в таблице с заданием (прил. 1). Приведем пример проверки баланса мощностей на трассе вниз по формуле (2) при следующих исходных данных: диапазон частот 1800 МГц (средняя частота поддиапазона вниз БС => АС: 1842 МГц), НБс = 30 м; нас = 1,5 м; R = 1 км; зона – средний город. Тогда средние (медианные) потери на трассе Lг, согласно модели COST 231 составляют 136,4 дБ. Необходимый запас мощности сигнала для его уверенного приема на 90 % площади с вероятностью 75 % Р = 0,68 , Р = 0,68 · 8 = 5,6 дБм, где = 8 дБ – 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 = 136,4 + 5,6 + 12 = 154 дБ. Теперь рассчитаем мощность сигнала на входе приемника АС, если мощность передатчика БС составляет 28 Вт (44,5 дБм): Рinас = Poutбс – Lf бс + GaБс – Lc – Lp + GaАС – Lfac; Рinас = 44,5 – 2 + 16 – 0 – 154 + 0 + 0 = –95,5 дБм. Аналогично по формуле (1) проверяем баланс мощностей на трассе вверх. Средняя частота поддиапазона вверх АС => БС: 1744 МГц. При тех же НБс и нас средние потери на трассе Lг, согласно модели COST 231, составляют 136,2 дБ, т. е. практически не отличаются от потерь на трассе вниз. При тех же  и потерях в здании LДОП = 12 дБ при мощности передатчика АС 1 Вт получаем:Pin БС = Pout AC – Lf ac + Ga AC – Lp + Ga БС + Gd БС – Lf БС; Pin БС = 30 – 0 + 0 – 153,8 + 16 + 3 – 2 = –104,8 дБм. 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]. В отчете по второму этапу курсовой работы следует привести формулу, по которой производили расчет потерь на трассе Lr, и заполнить итоговую табл. 4. Таблица 4 Результаты расчета второго этапа
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 [2]. 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. Например, для линий связи в сельской местности более важен параметр количества циклов заряда/разряда, которые может выдержать аккумулятор. В этих сетях качество электроснабжения приводит к частым и длительным (более часа) отключениям выпрямительных устройств с переходом нагрузки на питание от аккумуляторной установки. В таком случае целесообразнее использовать гелевые аккумуляторы, так как ресурс их работы в режиме циклирования выше, чем у других аккумуляторов. Исходные данные для расчета параметров электропитания приведены в прил. 3. Щелочные аккумуляторные батареи Основные области применения. Щелочные герметичные аккумуляторы и батареи предназначены для питания постоянным током систем автоматики, сигнализации, связи, приборов и др. Герметичные аккумуляторы предназначены для работы в режиме циклирования (длительный, средний и короткий режимы разряда) и в режиме постоянного подзаряда. Отличительные особенности. В процессе эксплуатации аккумуляторы не требуют обслуживания (доливок и корректировки уровня электролита). В качестве электролита в никель-железных аккумуляторах применяется водный раствор едкого натра с добавкой (20 ± 1) г/л гидроокиси лития. В зависимости от условий эксплуатации срок службы герметичных аккумуляторов и батарей от 3 до 10 лет, срок хранения не менее 2 лет. Гелевые аккумуляторные батареи Основные области применения: – системы бесперебойного питания; – производство и передача электроэнергии; – телекоммуникации и связь; – системы альтернативной энергии; – охранная и пожарная сигнализация; – аварийное освещение. Отличительные особенности: – устойчивость к циклическому режиму эксплуатации (более 1200 циклов заряд-разряд); – низкое газовыделение благодаря использованию сплава без сурьмы и применению технологии внутренней рекомбинации газов. Конструкция гелевых аккумуляторов обычно представляет собой модификацию обычного свинцово-кислотного аккумулятора. К электролиту добавляется гелевый компонент для сокращения движения внутри аккумулятора. Во многих гелевых аккумуляторах также используются одноходовые клапаны вместо открытых воздушных клапанов, это способствует тому, что выделяющиеся газы снова растворяются в воде внутри аккумулятора, подавляется газообразование. В аккумуляторах на «гелевых элементах» исключено пролитие даже в случае поломки. Гелевые аккумуляторы устойчивы к циклическому режиму эксплуатации (более 1200 циклов заряд/разряд) Срок службы более 15 лет. 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 кВт∙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 ИБП всегда указывают полную мощность, выраженную в вольт-амперах, 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 60 Вт, сетей CDMA – 40 Вт. Необходимо также учесть максимальную потребляемую мощность охранно-пожарной сигнализации – 900 Вт и системы управления микроклиматом – 3000 Вт. Для работы в автономном режиме ИБП базовой станции комплектуется четырьмя батареями. Необходимо рассчитать максимальное время автономной работы при заданной нагрузке по формуле  где t – максимальное время автономной работы, мин; Е – ёмкость батареи; U – суммарное напряжение батарей в ИБП; Р – расчётная мощность нагрузки. 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 [4]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||