Практикум для студен тов специальности 198 01 03 Программное обеспечение информаци онной безопасности мобильных систем
 Скачать 6.84 Mb.
|
|
Диапазоны частот Номер варианта Расстояние, км Частоты, МГц 1 5 450 900 1900 2400 5200 2 10 3 20 4 35 2) потери в атмосфере для соответствующих расстояний при за- данной частоте (табл. 1.6) и влажности 10 г/м 3 ; Таблица 1.6 Диапазон расстояний Номер варианта Частота, МГц Расстояния, км 1 450 5 10 20 35 50 2 900 3 1900 4 5200 3) потери на деревьях для различных высот деревьев на соответ- ствующих частотах (табл. 1.7); Таблица 1.7 Высота деревьев Номер варианта Частота, МГц Высота деревьев, м 1 450 2 5 10 20 30 2 900 3 1900 4 5200 33 4) потери в атмосфере на соответствующих частотах при задан- ной высоте деревьев (табл. 1.8). Таблица 1.8 Диапазоны частот Номер варианта Высота деревьев, м Частоты, МГц 1 2 450 900 1900 2400 5200 2 5 3 10 4 20 По каждому из четырех пунктов вспомогательных расчетов полу- ченные данные свести в таблицу для графического отображения ре- зультатов. Задание на лабораторную работу 1. Провести расчеты по п. 5–9. 2. Провести графическую обработку полученных результатов с использованием Microsoft Office Excel. 3. Провести сравнительный анализ использованных в работе мо- делей по результатам расчетов. Содержание отчета 1. Титульный лист. 2. Цель работы и задание на лабораторную работу. 3. Привести основные характеристики оборудования беспровод- ных сетей; факторы, приводящие к потерям в радиолинии; описание моделей распространения радиосигналов (RPS, Okamura – Hata (COST 231), Walfish – Ikegami). 4. Результаты расчетов. 5. Цифровая карта местности с размещенными на ней БС. 6. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какие факторы приводят к потерям при распространении ра- диоволн? 2. Поясните основные физические эффекты и изучаемые явления при распространении радиоволн: дифракция, отражение, преломле- ние, рассеяние, замирание. 34 3. Для каких систем связи (наземных или спутниковых) поглоще- ние мощности сигнала в атмосфере является наиболее существенным фактором? 4. Какие характеристики деревьев наиболее существенно влияют на затухание сигнала? 5. Дайте определение электромагнитной совместимости. 6. Дайте определение понятия «кластер сот». В чем преимущества и недостатки кластеризации сот? 7. С какой целью выполняется секторизация соты? 8. На каких частотах работают радиорелейные линии связи, и ка- кие факторы в наибольшей степени влияют на устойчивость их функ- ционирования? 9. Какой фактор является наиболее неблагоприятным фактором, вызывающим потери мощности сигнала в атмосфере на частотах свыше 1 ГГц? 10. Дайте классификацию основных типов помех в системах под- вижной связи. 11. Какого типа помехи наиболее существенно ухудшают связь в диапазоне 800–900 МГц, и что является их источником? 1.7. Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РАДИОСЕТЕЙ Цель работы: выполнение расчетов, необходимых для оценки ка- чества связи и зон обслуживания радиосети стандарта GSM и радио- релейной линии связи на основе реальных данных о рельефе местно- сти с использованием RPS-2. Краткие теоретические сведения Основные этапы частотно-территориального планирова- ния (ЧТП) сетей подвижной радиосвязи включают в себя следую- щие операции. 1. Разработка требований к исходным данным. В техническом задании на выполнение ЧТП должно быть указано: – тип абонентов, работающих внутри и вне помещений (процент- ное соотношение); 35 – плотность абонентов на единицу площади или плотность трафи- ка на единицу площади; – потребность абонентов в скорости трафика (процентное соот- ношение); – тип передаваемого трафика; – тактико-технические параметры на оборудование базовых и абонентских станций; – объем выделенного для развертывания сети радиочастотного ресурса; – ограничения на высоты подвеса антенн (антенных мачт). 2. Расчет бюджета канала связи. На первом этапе частотно- территориального планирования сети беспроводного широкополосно- го доступа производится расчет бюджета канала связи для данного оборудования с целью определения максимально допустимых потерь в канале связи и первоначальной оценки радиуса зоны обслуживания. Расчет бюджета потерь проводится для двух направлений: линии вниз (downlink) и вверх (uplink), а в качестве результирующего значения выбирается минимальное из рассчитанных значений. 3. Выбор структуры кластера сети. В зависимости от объема радиочастотного ресурса, выделенного оператору сети беспроводного широкополосного доступа, возможны различные варианты построе- ния топологии радиочастотного кластера. 4. Расчет зоны покрытия по уровню принимаемого сигнала. После того как требования к функционированию сети сформулированы, выбраны кластерная структура и первоначальный частотный план, проис- ходит проверка возможности размещения сайтов на выбранных местах. Далее с использованием специализированного программного обеспечения расчитываются зоны радиопокрытия для направления передачи вниз (downlink) и вверх (uplink) раздельно. В качестве инструмента прогнозирования потерь распространения радиоволн можно использовать различные статистические и квазиде- терминистские математические модели распространения радиоволн. Наибольшее приближение результатов прогнозирования и измерений в застройке города Минска наблюдается при использовании дифрак- ционных моделей P.526, SPM и WLL. 5. Расчет внутрисистемных интерференций. После расчета зоны покрытия по уровням принимаемого сигнала проводят анализ внутри- системной электромагнитной совместимости (ЭМС) для принятой структуры сети. 36 Провести анализ внутрисистемной электромагнитной совмести- мости сети можно двумя способами: – рассчитать с использованием модели МСЭ-R P.452 зоны помех от базовых станций базовым станциям, на которых назначены те же ра- бочие частоты; провести те же вычисления, только за источник помех принять абонентские станции, а за рецептор помех – базовые станции; – рассчитать с использованием специализированного программ- ного обеспечения зоны покрытия по уровням C/(I+N) – «сиг- нал/помеха» для направлений передачи downlink и uplink. 6. Планирование зон хэндовера. Работа мобильной широкополос- ной сети при перемещении абонентов из зоны покрытия одной базо- вой станции в другую обязательно предусматривает выполнение про- цедуры хэндовера. Для четкой отработки процедуры хэндовера необходимо выпол- нить планирование зон хэндовера между зонами покрытия соседних секторов (сайтов). Планирование в данном случае заключается в уменьшении излишнего перекрытия соседних зон покрытия при со- хранении формы зоны радиопокрытия отдельных секторов. 7. Расчет качественных показателей покрытия сетей подвиж- ной радиосвязи. На заключительном этапе планирования сети под- вижной радиосвязи производится расчет ее качественных параметров функционирования и представляется в виде карты покрытия, нало- женной на зону обслуживания по выбранному критерию. К основным показателям качества работы мобильной беспровод- ной сети относятся: скорость передачи данных и коэффициент бито- вой ошибки (каждый из параметров рассчитывается раздельно для на- правлений downlink и uplink). Стандарт GSM тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь с ISDN и IN. Основные функцио- нальные элементы GSM входят в международный стандарт глобаль- ной системы подвижной связи UMTS. Система GSM является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Основные характеристики радиоинтерфейса GSM-900: − полосы частот: 890–915 MГц – линия вверх (MS передача), 935–960 MГц – линия вниз (MS прием); − полоса радиоканала: 200 кГц; − каналы/несущая: 8; − множественный доступ: TDMA/FDMA; − дуплекс: FDD; 37 − скорость передачи в радиоканале: 270,833 кбит/с; − модуляция: GMSK; − спектральная эффективность: 1,35 бит/с/Гц. Радиопараметры GSM-900. Мобильная станция (MS): − чувствительность: –104 (–102) дБм. Типичная чувствитель- ность: –106 дБм; − мaксимальная выходная мощность: 33 (30) дБм. Базовая станция (BS): − чувствительность: –104 (–104) дБм. Типичная чувствитель- ность: –107 дБм. − мaксимальная выходная мощность: 43 дБм. Каналы в GSM-900 представлены на рис. 1.7. MS-передатчик MS-приемник Рис. 1.7. Каналы GSM-900 Расчет основных параметров сотовой системы связи Общее число частотных каналов, выделенных для развертывания сотовой сети связи в данном месте, определяется по формуле int , k k F N F ⎛ ⎞ Δ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1.20) где int (X) – целая часть числа X; ΔF – полоса частот, выделенная опе- ратору связи; F k = 200 кГц – полоса частот, занятая одним частотным каналом системы сотовой связи – частотный разнос между каналами. Выбор типа кластера. Главным критерием при выборе кластера является выполнение требований по допустимому отношению сиг- нал/помеха (S/N I ) в точке приема, прежде всего в основном канале. Здесь рассматриваются лишь внутрисистемные помехи. Величина (S/N I ) (защитное или пороговое отношение сигнал/помеха), как прави- ло, известна и, например, для цифровых сотовых систем стандарта GSM равна 9 дБ. 38 Для выбора кластера необходимо также задать требования к веро- ятности события P(C), когда отношение сигнал/помеха в точке приема окажется ниже порогового. Эта величина оценивает устойчивость свя- зи при перемещении подвижного абонента в зоне обслуживания сети. Обычно эту вероятность задают на уровне 0,1–0,15. Внутрисистемные помехи в сотовой архитектуре сети подвижной связи создают, прежде всего, БС соседних кластеров, которые рабо- тают на повторяющихся частотах. В кластерах с несекторизованными сотами таких близкорасположенных базовых станций, создающих по- мехи по основному каналу, будет шесть. В кластерах с трех- и шести- секторными сотами – две и одна помеха соответственно. Уровень по- мех зависит от размерности кластера С, радиуса сот R 0 и расстояния между сотами с повторяющимися частотами D и связан с защитным соотношением 0 / 3 q D R C = ≈ . Полагая, что в большинстве случаев затухание сигнала (помехи) в системах подвижной связи обратно про- порционально d 4 , где d – расстояние от источника сигнала (помехи), можно оценить относительный уровень помехβ по основному каналу приема для абонентских станций, находящихся на границах сот, кото- рый составляет для сот с ненаправленной антенной (М = 1) β 1 = β 2 = (q – 1) –4 , β 3 = β 4 = q –4 , β 5 = β 6 = (q + 1) –4 , а для сот с направленными антеннами: – при M = 3β 1 = (q + 0,7) –4 , β 2 = q –4 ; – при М = 6β 1 = (q + 1) –4 В универсальной модели однородной сети регулярной структуры зона обслуживания каждого передатчика находится в окружении 18 соканальных помех (рис. 1.8), расположенных в углах трех правильных шестиуголь- ников с координационными расстояниями D k 1 , 1 3 k D , 2D k 1 соответственно. 1 3 k D 1 2 k D 1 k D Рис. 1.8. Расположение помех совмещенного канала 39 В сотовых сетях связи для определения мощностей сигнала и по- мех на входе приемника абонентского терминала для предсказания потерь при распространении сигнала используется модель Окамура – Хата. В соответствии с этой моделью мощность сигнала на входе при- емника Р пр абонентской станции, находящейся на расстоянии R от пе- редатчика, равна Р пр (R) = P изл (Θ)·L(R), (1.21) где P изл (Θ) – излучаемая мощность передатчика в зависимости от на- правления на абонентскую станцию; при этом предполагается, что ан- тенна абонентской станции имеет круговую диаграмму направленно- сти; L(R) – потери (величина, обратная затуханию) сигнала при рас- пространении в городских районах, зависит от высоты передающей и принимающей антенн, расстояния между ними, несущей частоты, эм- пирического коэффициента. Мощность сигнала на входе приемника обратно пропорциональна расстоянию до передатчика: ( ) изл пр (θ) , x P P R B R = ⋅ (1.22) где В – коэффициент, рассчитанный эмпирически и зависящий от вы- соты передающей и принимающей антенн, несущей частоты; x – пока- затель степени при R: БС 4,49 0,655lg( ) x h = − Мощность интерференционных помех, создаваемых шестью ме- шающими передатчиками первого шестиугольника, равна изл п1 3 (θ) 1 6 ( ) ( 27) x x P P B R = ⋅ ⋅ ⋅ (1.23) По аналогии с (1.30) получают формулу мощности интерферен- ционных помех, создаваемых шестью мешающими передатчиками второго шестиугольника: изл п2 3 (θ) 1 6 ( ) 9 x x P P B R = ⋅ ⋅ ⋅ (1.24) и третьего шестиугольника: изл п3 3 (θ) 1 6 ( ) ( 108) x x P P B R = ⋅ ⋅ ⋅ (1.25) 40 При работе в сотовой сети появляются интерференционные поме- хи от передатчиков БС, работающих на совпадающих частотах (в со- вмещенных каналах), и в результате на входе приемника необходимо рассматривать отношение сигнал/(шум + интерференционная помеха): с ш помΣ P h P P Σ = + . (1.26) Вероятность невыполнения требований по допустимому отноше- нию сигнал/помеха (S/N I ) в точке приема P(C) зависит от размерности кластера. Вероятность P(C) убывает с ростом размерности кластера. При этом одновременно падает частотная эффективность сети. Оце- ниваются различные варианты кластеров и выбирается оптимальный. Результаты оценки различных вариантов кластеров для стандарта GSM-900 приведены в табл. 1.9. Таблица 1.9 Оценка кластеров для сети стандарта GSM-900 Размерность кластера С Параметры Секторность М 1 3 6 3 Р(С), % – – – 6,2 21,8 29,5 0,4 6,6 14,5 4 Р(С), % 39 49,6 – 2,3 14,7 23,6 0,3 4,3 11,5 7 Р(С), % 6,4 25,8 35 0,2 6,4 15,2 0,01 1,7 6,8 Определение пространственных параметров сети. Исходными параметрами для расчета пространственных параметров сети являются: – площадь зоны обслуживания S; – число абонентов в зоне обслуживания N a ; – число рабочих частот, выделенных оператору; – число каналов, приходящихся на одну несущую (для стандарта GSM-900 n = 8); – число каналов, используемых для управления и сигнализации; – допустимая вероятность блокировки вызова в час «пик» (отказа в обслуживании) Р а ; – активность абонента в час наибольшей нагрузки А (в соответст- вии с требованиями А ср = 0,03 – 0,05 Эрл). Определение пространственных параметров сети для выбранно- го типа кластера при фиксированном числе трафиковых каналов N n , приходящихся на соту (ячейку), связано с допустимой телефон- ной нагрузкой на ячейку А с при заданной вероятности отказа 41 в обслуживании (блокировки вызова Р а ), которая рассчитывается по формуле Эрланга: c а c 0 / ! ( !) / n n N i N i i A N P A i = = ∑ (1.27) Величина допустимой телефонной нагрузки в одном секторе од- ной соты (Эрл ) определяется приближенным соотношением 0 1 0 c 0 a π 1 1 2 n n A n P ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ = ⋅ − − ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ , (1.28) при условии, что вероятность блокирования вызова не превышает величины a 0 2 2 0,282, π 8π P n ≤ = = (1.29) где n 0 = n s n a (n s – число частотных каналов в секторе, n a – число абонен- тов, которые могут одновременно использовать один частотный радиока- нал. В данном случае n a = 8, т. к. используется цифровой стандарт GSM). Общее число каналов для каждого сектора или зоны обслуживания включает, помимо трафиковых, каналы управления и сигнализации. После определения величины А с находятся искомые параметры: – число абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в час наибольшей нагрузки: N БС = М int( с ср А А ); (1.30) – число базовых станций в сети: K = int( а БС N N ); (1.31) – радиус соты: R 0 = 1,21 π S K . (1.32) Коэффициент 1,21 учитывает отличие формы соты от окружности. 42 На этом этапе построения начального приближения сети появ- ляется возможность уменьшить число базовых станций в составе сети за счет некоторого снижения ее частотной эффективности; в противном случае может возникнуть вопрос о необходимости расщепления сот для обеспечения заданного уровня обслуживания в районах повышенного трафика. Тогда необходимо выделить зону повышенной плотности трафика и определить размеры сот отдельно для данной зоны. Число частотных каналов, которые используются для обслужива- ния абонентов в одном секторе соты, определяется по формуле int k S N n CM ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1.33) |