Практикум для студен тов специальности 198 01 03 Программное обеспечение информаци онной безопасности мобильных систем
 Скачать 6.84 Mb.
|
|
Приемопередатчики Вариант 1 2 3 4 5 Приемопередатчик Aironet 655 900 BS CyLink TRxCV WaveLAN 915 Вариант 6 7 8 9 10 Приемопередатчик Mobile CyLink TRxCV WaveLAN 915 Aironet 655 900 22 Координаты БС: BS#1: долгота Е 82-50-10.94, широта N 55-3-55.36; BS#2: долгота Е 82-47-55.15, широта N 54-55-52.34; BS#3: долгота Е 83-3-9.96, широта N 54-59-20.30. 5. Задать параметры абонентов: антенна – OMNI, поляризация – горизонтальная. Координаты абонентов приведены в табл. 1.3 Таблица 1.3 Координаты абонентов Абонент Наименование координат Вариант 1 2 3 4 5 1 E 83-28-39.42 83-35-7.74 83-29-34.21 83-33-46.74 83-30-26.62 N 55-10-58.01 55-3-39.26 55-10-35.20 55-6-6.85 55-9-46.89 2 E 83-23-39.25 83-24-38.80 83-36-0.15 83-35-36.33 83-35-7.74 N 54-44-40.13 54-45-0.25 54-58-6.51 54-56-27.22 54-54-53.30 Абонент Наименование координат Вариант 6 7 8 9 10 1 E 83-34-43.92 83-31-4.74 83-34-20.09 83-31-38.09 83-32-49.56 N 55-4-27.56 55-9-12.01 55-5-13.18 55-8-39.81 55-7-30.04 2 E 83-35-50.62 83-35-26.80 83-33-51.50 83-27-35.10 83-32-11.45 N 54-57-26.26 54-55-41.60 54-52-33.76 54-46-44.91 54-50-27.63 Сохранить проект в папке «Project» программы RPS-2 под своим именем. Пример: Project_Lab1_Ivanov. 6. Анализ рельефа местности и оценка потерь при распростране- нии до наиболее удаленной точки соты, максимального размера для стандарта. Выполнить → Расчет прямой видимости (BS#3, расстояние 35 км, вне прямой видимости, ОК). 6.1. Анализ профиля радиолинии. Выполнить → Просмотр → Выбор линии. Провести линию от БС#3 до точки Абонент#1 и нажать левую клавишу мыши. Результаты расчета потерь при распространении от БС#3 к абоненту занести в от- чет. Рассчитать потери радиотрассы, для чего нажать левой кнопкой на значок и проанализировать вклад различных факторов в потери распространения сигнала. Левой кнопкой мыши нажать на значок окна «Трасса». Занести в отчет результаты расчета потерь при распро- странении от абонента к БС#3. После нажатия кнопок , и в окне с профилем радиолинии дополнительно рисуются, соответственно, первая зона Френеля, ли- нии уровня и точки отражения сигнала (если они есть). 23 6.2. Анализ уровня сигнала на трассе. Выполнить → Просмотр → Выбор трассы. Удерживая левую кноп- ку мыши, провести линию от БС#3 до точки Абонент#1 и нажать правую клавишу мыши. В появившемся окне «Редактирование трассы» присво- ить название трассы и добавить доступные на трассе станции в поле «Вы- бранные станции». Установить курсор на линию трассы и нажать правую кнопку мыши и далее левой кнопкой открыть окно «Трасса». В открывшемся окне нажать левой кнопкой на значок , что запускает процесс расчета уровня сигнала вдоль трассы. Нажать одну из кнопок или для просмотра результатов расчета, соответственно в виде графика или с помощью цвета. Полученные результаты расчета занести в отчет. 6.3. Выполнить пп. 6.1, 6.2 для Абонент#2. 7. Определение зоны наличия (отсутствия) связи для трех задан- ных БС. Выделить три БС с помощью прямоугольника. Просмотр → Выбор прямоугольника. Выделить область так, что- бы в нее попали три БС. Поместить курсор в выделенную область, нажать на левую клавишу мыши и присвоить имя области. Далее про- вести расчеты покрытия для каждой из трех БС. Выполнить → Расчет покрытия → Модель Hata (или другая по заданию преподавателя) → BS#1 (BS#2, BS#3). Добавить выбранные станции для расчета. Поместить курсор в выбранную область и, нажав правую кноп- ку мыши, выполнить расчет для определения зоны наличия (отсут- ствия) связи. Области разного цвета указывают на наличие связи в прямом, об- ратном направлениях, в обоих направлениях или отсутствие связи. Обозначения цветов на карте (указано в левом нижнем углу проекта): NS (No service) – отсутствие связи; FO (Forward only) – связь в одном направлении от базовой стан- ции к абоненту; RO (Reverse only) – связь в одном направлении от абонента к ба- зовой станции; FR (Forward and Reverse) – связь в двух направлениях. Оценить радиус зон наличия связи с использованием инструмента «выбор линии». 8. Расчет числа каналов БС. Навести указатель мыши на участок между тремя БС и, нажав пра- вую клавишу, выбрать «Расчет числа каналов БС». Параметры для расчета устанавливаются по варианту задания на лабораторную работу. 24 Задание на лабораторную работу 1. Определить уровень сигнала (Трасса: Сектор#1, Принимающий сигнал, дБм) в двух различных местах (Абонент#1, Абонент#2), нахо- дящихся на расстоянии 35 км от BS#3, и сравнить его с чувствитель- ностью приемника абонента (–100 дБм), дать рекомендации относи- тельно выбора (замены) приемопередатчиков БС. 2. Выполнить расчет по п. 6.1 при наличии препятствия в виде горы (mountain) высотой 450 м, длиной и шириной 1000 м. Проанализировать рельеф местности (Трасса: Сектор#1, Принимающий сигнал, дБм). Для создания препятствия нажать левую клавишу мыши и выбрать «Новое препятствие». 3. Произвести вспомогательные расчеты потерь при распростра- нении на расстоянии 35 км для различных типов местности (село, пригород, город, крупный город). Утилиты → Вспомогательные расчеты → COST 231 Hata. Зада- ваемые параметры: высота антенны – h = (30 + N) м (N – номер вари- анта), расстояние 35 км. Остальные параметры – по умолчанию. 4. Определить зоны наличия (отсутствия) связи для трех заданных БС. 5. Произвести расчет числа каналов БС, если: – удельная нагрузка от одного абонента, Эрл – А = 0,0N + 0,0Р; – вероятность установления соединения – Р = 0,9N; – соединение: БС с максимальным сигналом – для четных N и равновероятное – для нечетных N; – закон распределения абонентов: равномерный – для четных N и нормальный – для нечетных N. Формула для расчета числа каналов: Эрланга В. Содержание отчета 1. Титульный лист. 2. Цель работы и задание на лабораторную работу. 3. Результаты расчетов, полученные в пп. 1–5 задания на лабора- торную работу. 4. Цифровая карта местности с размещенными на ней БС, препят- ствиями и абонентами. 5. Выводы по полученным данным расчетов. Контрольные вопросы 1. Дайте определение частотно-территориальному плану. 2. Что называется кластером? 25 3. Как влияет коэффициент повторного использования частот на емкость сети? 4. В чем отличие микросотовых сетей подвижной связи от макро- сотовых сетей? 5. Поясните процедуру «ведение абонента», «роуминг». 6. Поясните назначение центра коммутации. 7. Каково назначение интерфейсов в сетях сотовой связи? 8. Какая модель использовалась при расчете потерь мощности сигнала на трассе распространения? 9. Какова особенность антенн типа OMNI? 10. Каково максимальное расстояние, при котором еще имеет место уверенный прием сигнала в стандарте GSM-900? 11. Какие типы препятствий на трассе вызывают наибольшие потери мощности сигнала? 12. Какие параметры входят в модель Окамуры? 1.6. Лабораторная работа № 2 ИЗУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ Цель работы: размещение базовых станций на цифровой карте местности; расчет прямой видимости; вычисление уровня сигнала пе- редатчика; нахождение потерь в атмосфере и на деревьях. Краткие теоретические сведения Модель свободного пространства Модель свободного пространства является эталонной при анализе распространения радиоволн на различных трассах. В рамках этой мо- дели энергия сигнала зависит только от расстояния между передатчи- ком и приемником и убывает обратно пропорционально квадрату рас- стояния. Суммарные потери L p (снижение мощности сигнала) в сво- бодном пространстве определяются формулой L p = 2 4 , d π ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ λ ⎝ ⎠ (1.9) где λ – длина волны сигнала; d – расстояние между передатчиком и приемником,км. 26 Обычно величину потерь измеряют в децибелах. В свободном пространстве для идеальных антенн L p , дБ: L p = 32,4 + 20 lg(f) + 20 lg(d), (1.10) где f – частота сигнала,МГц. Заметим, что при заданной несущей частоте сигнала f первое и второе слагаемые – константы, и L p изменяется как логарифм расстоя- ния. Модель свободного пространства основана на концепции расши- ряющегося сферического фронта волны при излучении сигнала от то- чечного источника в пространстве. Эта модель используется, в основ- ном, в спутниковых системах связи дальнего космоса, где сигналы распространяются сквозь «свободное пространство». В системе мо- бильной связи появляются дополнительные потери из-за препятствий и другие помехи, поэтому необходимы более сложные модели, чтобы предсказать потери при распространении. Модель Ли Распространение радиоволн в наземной связи сопровождается большими потерями, чем в свободном пространстве, поскольку име- ются препятствия между передатчиком и приемником. В результате принятый сигнал складывается из сигналов, перемещающихся через прямые и непрямые пути. Это сигналы, перемещающиеся по линии прямой видимости, и сигналы, перемещающиеся по ломаной линии, которая формируется на основании рассеяния и отражения от объек- тов, находящихся между передатчиком и приемником (строения, де- ревья, холмы и др.). Именно поэтому потери на трассе в приземной области выше, чем в свободном пространстве, и степень потерь нахо- дится в более сильной зависимости от расстояния между передатчи- ком и приемником. Для иллюстрации приведем упрощенную формулу в модели Ли для частот, используемых в сотовой связи: L p = 1,14 · 10 l3 ⋅ 3,84 2 , d h (1.11) где h – высота антенны базовой станции, м. Для расчета в децибелах формула имеет следующий вид: L p = 129,45 + 38,4 lg(d) – 20 lg(h). (1.12) Уточненная модель распространения радиоволн должна быть функцией различных параметров, необходимых для описания условий распространения. Рассмотренные ниже модели Walfish – Ikegami 27 и Okumura – Hata используют более сложные методы расчета потерь распространения, которые зависят от таких параметров, как частота, вы- соты антенн передатчика и приемника и плотность застройки, модели основаны на обширных эмпирических измерениях в городских условиях. Модель Уолфиша – Икегами Модель Уолфиша – Икегами (Walfish – Ikegami) применяется для расчета уровня принятого сигнала в крупных и средних городах (рис. 1.5). Производится расчет уровня принятого сигнала на основе ре- комендации COST 231. Реальный рельеф местности не учитывается, вместо этого в параметрах модели указывается тип городской застройки. Рис. 1.5. Условная схема прохождения радиосигнала в районе с плотной застройкой Модель испытана в диапазоне частот 900–1800 MГц на расстоя- ниях от 100 м до 3 км. Обеспечивает хорошую точность предсказания при высоте антенны выше уровня крыш. Ошибки предсказания уве- личиваются при высоте антенны близкой к уровню крыш. Модель не применима для открытых участков, где есть прямая видимость. Ограничения модели: – диапазон частот 800–2000 МГц; – высота антенны базовой станции 4–50 м; – высота антенны абонента 1–3 м; – дальность 0,02–5 км. В качестве исходных данных моделирования выступают: 1) h tx – высота антенны базовой станции (м); 2) w – средняя ширина улиц (м); 3) b – среднее расстояние между домами (м); 4) h roof – средняя высота зданий (м); 28 5) h rx – высота антенны абонента (м); 6) φ – угол с улицей (град); 7) d – расстояние от абонента до базовой станции (км); 8) f – рабочая частота (МГц); 9) тип застройки: средняя или плотная. В модели Walfish – Ikegami суммарная потеря сигнала складыва- ется из трех слагаемых: 1) l 0 – потери в свободном пространстве; 2) l rts – потери, вызванные дифракцией на крышах; 3) l msd – потери при многократном отражении. 0 0 при 0, при 0. rts msd rts msd p rts msd l l l l l L l l l + + + > ⎧ ⎫ = ⎨ ⎬ + ≤ ⎭ ⎩ (1.13) Потери в свободном пространстве: l 0 = 32,44 + 20 lg(f) + 20 lg(d). (1.14) Потери, вызванные дифракцией на крышах: l rts = –6,9 – 10 lg(w) + 10 lg(f) + 20lg(h roof – h rx ) + l ori , (1.15) где параметр l ori учитывает величину угла относительно улицы. Потери, вызванные многократным отражением: l msd = l bsh + k а + k d lg(d) + k f lg(f) – 9 1g(b), (1.16) где параметры l bsh , k а и k d зависят от высот антенн базовой и абонентской станций и высоты зданий; коэффициент k f учитывает тип застройки. Модель Окумура – Хата Модель Окумура – Хата (Okumura – Hata) была разработана на осно- ве данных измерений уровней сигнала от передатчика в нескольких час- тотных диапазонах в Токио и его пригородах. Выбор этого метода наи- более предпочтителен для урбанизированных областей, где расстояние анализа относительно невелико (меньше чем 30 км), эффективная высота передающей антенны – меньше чем 200 м, эффективная высота при- емной антенны – меньше чем 10 м, и местность относительно пло- ская (рис. 1.6). Использование этого метода для других случаев или при больших расстояниях может оказаться неприемлемым. Применяя эту мо- дель, можно выбирать типы наземных помех: «нет», «пригородная зона» или «город». Этот выбор определит соответствующие выражение для за- тухания, а реальный рельеф местности не учитывается. Модель приме- нима только при высоте антенны базовой станции выше уровня крыш. 29 Рис. 1.6. Условная схема прохождения радиосигнала в районе с холмистой местностью Ограничения модели: − диапазон частот 150–2000 МГц; − высота антенны базовой станции 30–200 м; − высота антенны абонента 1–10 м; − дальность 1–20 км. В качестве исходных данных моделирования выступают: − h еff – высота антенны базовой станции (м); − h r – высота антенны абонента (м); − d – расстояние от абонента до базовой станции (км); − f – рабочая частота (МГц); − тип застройки. Основные потери на трассе для городских зон находятся по формуле а = 69,55 + 26,16 lg(f) – 13,82 lg(h еff ) – – c (h r ) + (44,9 – 6,55 lg(h eff )) lg(d), (1.17) где с(h r ) – поправочный коэффициент, учитывающий тип застройки. Для пригородных областей городские потери корректируются следующим образом: a ruual = а – 2 (lg( 28 f )) 2 – 5,4. (1.18) Для сельских открытых участков a open = a – 4,78 (lg(f)) 2 + 18,33 lg(f) – 40,94. (1.19) 30 Модель RPS Производится расчет уровня принятого сигнала на основе деталь- ного анализа профиля земной поверхности между передатчиком и точкой приема. Расчет уровня принятого сигнала в каждой точке эк- вивалентен расчету для радиолинии, соединяющей базовую станцию с данной точкой. Учитываются потери в свободном пространстве, поте- ри за счет отражения, дифракции на препятствиях, высота и диаграм- ма направленности антенны передатчика. Порядок выполнения работы 1. Запустить программу RPS-2, нажав левой кнопкой мыши на значок . 2. Выбрать на панели инструментов Проект → Новый и ввести имя, выбрать радио-стандарт – GSM. 3. Выбрать местоположения базовых станций (БС): нажав левую клавишу мыши, выбрать «Новое место». 4. Задать параметры БС: имя – BS#1, число секторов – 1, антенна – OMNI, поляризация – горизонтальная, приемопередатчик – BS, высо- та передающей антенны – h = 50 м, поляризация – горизонтальная, фидеры – default. Мощность передатчика – 30 дБм. Координаты БС – из табл. 1.4. Таблица 1.4 Координаты БС Наименование координат Вариант 1 2 3 4 5 E 82-56-22.58 82-58-57.43 82-55-30.17 82-58-57.43 82-54-21.08 N 55-5-50.75 55-5-13.18 55-3-40.60 55-3-51.33 55-2-30.83 Наименование координат Вариант 6 7 8 9 10 E 82-57-57.88 82-48-42.79 82-52-19.58 82-55-11.11 83-4-57.17 N 55-1-11.67 55-0-28.73 54-58-53.47 54-57-30.28 54-58-25.29 5. Определение зоны прямой видимости. Выполнить → Расчет прямой видимости → Расстояние – 3 км → ОК Наблюдать изменение зоны прямой видимости при высотах пере- дающей антенны h = 30, 35, 40, 45 м. 6. Расчет уровня сигнала передачи по модели Hata. 31 Установить мощность передатчика 40 дБм. Нажать кнопку и в открывшемся окне активировать легенду «Сигнал». Выполнить → Расчет покрытия → Модель Hata → Антенна – 50 м, Расстояние – 3 км, Тип застройки – городская → ОК . С использова- нием инструмента «Выбор линии» определить размер зон с различным уровнем сигнала. Изменять мощность передатчика через 5 дБм (35, 30, 25) и на- блюдать изменение размера зон с различным уровнем сигнала. Данные свести в таблицу для графического отображения полученных результатов. Для данной модели при мощности передатчика 30 дБм наблюдать изменение уровня сигнала, варьируя следующие параметры: высота антенны передатчика – 30, 35, 40, 45 м; тип застройки – плотная го- родская, пригород, сельская. 7. Расчет уровня сигнала передачи по модели Walfish – Ikegami. Установить мощность передатчика 30 дБм. Выполнить → Расчет покрытия → Модель Walfish – Ikegami → Антенна – 50 м, Расстояние – 3 км, Уровень крыш – 15 м, Ширина улиц – 20 м, Расстояние между домами – 40 м, Тип застройки – сред- няя → ОК Для данной модели при мощности передатчика 30 дБм наблюдать изменение размера зон с различным уровнем сигнала, варьируя сле- дующие параметры: высота антенны передатчика – 30, 35, 40, 45 м; уровень крыш – 20, 30 м; тип застройки: плотная, либо средняя. Дан- ные свести в таблицу для графического отображения полученных ре- зультатов. 7.1. Провести вспомогательные расчеты. Утилиты → Вспомогательные расчеты → COST 231 Walfish – lkegami Провести расчет потерь на расстоянии 3 км при высоте крыш 15 и 30 м для двух типов застройки. Данные свести в таблицу для графиче- ского отображения полученных результатов. 8. Расчет уровня сигнала передачи по модели RPS-2. Установить мощность передатчика 30 дБм. Выполнить → Расчет покрытия → Модель RPS-2 → Антенна – 50 м, Расстояние – 3 км → ОК Для данной модели при мощности передатчика 30 дБм наблю- дать изменение уровня сигнала, учитывая или нет следующие факторы: 32 дифракция, отражение, атмосферные влияния, потери на местности. Наблюдать изменение размера зон с различным уровнем сигнала. Данные свести в таблицу для графического отображения полученных результатов. 9. Вспомогательные расчеты. Утилиты → Вспомогательные расчеты → Потери в атмосфере : 1) на соответствующих частотах при заданном расстоянии (табл. 1.5) и влажности 10 г/м 3 ; Таблица 1.5 |