Расчет построения сотовой сети в стандарте GSM-1800

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 стандарте GSM-1800.

Данный цифровой стандарт с диапазоном частот 1710 — 1880 МГц является модификацией стандарта GSM900.

Его особенности: максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 — 1Вт (для сравнения у GSM900 — 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 GSM900 или GSM-1800. Такой аппарат функционирует в сети GSM900, 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. В ближайшее время создание двухдиапазонных сетей возможно и в Москве. 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.

GSM 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).

Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.

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, например Motorola C115, или с помощью инженерного меню телефона.

§ 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 с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

GSM-900

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).

GSM-1800

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, AMPS/DAMPS-800, NMT-450. 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.

Сети CDMA начинают набирать обороты, и в ближайшем будущем этот стандарт станет одним из основных, т.к. он может составить конкуренцию даже проводным системам связи, благодаря своим бесспорным достоинствам и дешевизне. Технология CDMA легла в основу многих разрабатываемых сейчас систем глобальной мобильной связи.

2. ПРОЦЕДУРА УСТАНОВЛЕНИЯ ВЫЗОВА На схеме (рис.1) изображена процедура установления вызова в стандарте GSM.

Рисунок 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.

NSS 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 КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ СОТОВОЙ СЕТИ

3.1 РАСЧЕТ ДОПУСТИМОГО ЧИСЛА КАНАЛОВ ТРАФИКА И ДОПУСТИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОТЫ

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-1800 — не менее 0,6−0,8 км

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

Выбрав число каналов, определяют допустимый трафик в соте на основе статистики абонентов по таблице 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.

Рассчитаем параметры соты с использованием одного частотного канала.

При расчете в соответствии с числом каналов в соте по таблицам Эрланга находим допустимый трафик в соте Асот.

Асот=3,63Эрл

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 1.

М_сот= (1)

М_сот= Абонентов

Определяем число сот в городе:

Q_сот=(2)

где М_сети-число абонентов сети

Q_сот==1199 сот

Площадь соты вычислим по формуле:

S_сот=(3)

где S_сети-площадь зоны обслуживания

S_сот==0,25 км²

Радиус соты в виде правильного шестиугольника (Рис.2):

R (4)

причем R — максимальное удаление мобильной станции от базовой станции в соте.

Рисунок 2. — Шестиугольная сота с обозначенным радиусом.

R==0,62 км

Для того, чтобы расходы на обслуживание сот и развертывание были меньше, радиус соты должен быть не менее 0,6−0,8 км. Полученное значение 0,62 соответствует этому критерию.

Так как используется 1 частотный канал, состоящий из 8 физических, соответственно 1 канал является каналом управления, а остальные 7 — каналы трафика.

Таблица 2.-Результаты расчетов.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЛАНСА МОЩНОСТЕЙ

На данном этапе выполнения работы следует обеспечить баланс мощностей в соте радиуса R для сети, выбранной по результатам предыдущего этапа.

Уравнения баланса мощностей составляют на основе учета всех особенностей прохождения сигнала на трассе согласно рис. 3.

Рисунок 3. — Прохождение сигнала на трассе

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 5.

Р, дБм=10lgР, мВт (5)

Уравнение баланса мощностей в направлении вверх (АС => БС):

PinБС = PoutАС-LfAC+GaАС-Lp+GaБС+GdБС-LfБС. (6)

Уравнение баланса мощностей в направлении вниз (БС => АС):

PinАС = PoutБС-LfБC+GaБС-Lc-Lp+GaАС-LfАС. (7)

В уравнениях (6) и (7) 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.

LfБС и LfАС — 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-1800 максимальная выходная мощность передатчиков PoutAC = 1 Вт на 1800 МГц. Минимальная чувствительность приемников PinAC = -104 дБм.

Чувствительность приемников базовых станций при наличии дополнительного малошумящего усилителя ТМА (см. рис. 2) 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 (6)] 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 (7)] можно принять Lf БС = 2 дБ, GaБС = 15−17 дБ, LC = 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 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ТРАССЕ

Потери на трассе определяем по модели Окумура-Хата. 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 1800 МГц и выше расчеты ведут на модели COST 231 Хата [COST 231 TD (90) 119]. Условия применимости модели: F = 1500−2000 МГц; Н_БС = 30−200 м; Н_АС = 1−10 м.

Рассчитаем средние (медианные) потери на трассе L_Г:

L_Г=48,55+35,4lgF13,82lgH_БС(1,1lgF0,7)H_АС+(44,96,55lgH_БС)lgR (8)

где Н_БС — эффективная высота подъема антенны базовой станции, м; Н_АС — высота антенны подвижной станции над землей, м; R — расстояние между передатчиком и приемником, км; F — частота сигнала, МГц.

Суммарные потери на трассе:

L_P=L_Г+?Pу+L_ДОП (9)

Средние (медианные) потери на трассе вниз (средняя частота поддиапазона вниз БС => АС: 1842 МГц):

L_Г=48,55+35,4lg1842 — 13,82lg100 — (1,1lg1842−0,7)5 + (44,9−6,55lg100) lg0,62=115,82

Необходимый запас мощности сигнала для его уверенного приема на 90% площади с вероятностью 75% ?Pу = 0,68у, ?Pу = 0,68 8 = 5,6 дБм, где у = 8 дБ — среднеквадратичное отклонение сигнала из-за флуктуации в точке приема. Кроме того, учтем дополнительные потери в здании L_ДОП = 12 дБ. Итак, суммарные потери на трассе:

L_P=115,82+5,6+12=133,42

Теперь по формуле (7) рассчитаем мощность сигнала на входе приемника АС, если мощность передатчика БС составляет 28 Вт (44,5 дБм):

PinАС=44,5−2+15−0-133,42+0−0=-75,92

Аналогично по формуле (6) проверяем баланс мощностей на трассе вверх. Средняя частота поддиапазона вверх АС => БС: 1744 МГц. При тех же Н_БС и Н_АС средние потери на трассе Lг, согласно модели COST 231, составляют 114,93 дБ, т. е. практически не отличаются от потерь на трассе вниз. При тех же? Pу=5,6 дБм и потерях в здании L_ДОП = 12 дБ при мощности передатчика АС 1 Вт получаем:

PinБС=30−0+0−132,53+15+3−2=-86,53

Найденные величины PinAC и PinБС превышают чувствительность приемников мобильной станции -104 дБв и базовой станции — 111 дБм.

Таблица 3.-Результаты расчетов.

3.4 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.

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.

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; 14

— 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 (10):

P_ИБП>Pmax/PF (10)

где Р_ИБП — 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. Необходимо также учесть максимальную потребляемую мощность охранно-пожарной сигнализации — 900 Вт и системы управления микроклиматом — 3000 Вт.

Pmax=60+900+3000=3960Вт

P_ИБП>3960/0,7=5658Вт

Для работы в автономном режиме ИБП базовой станции комплектуется четырьмя батареями. Необходимо рассчитать максимальное время автономной работы при заданной нагрузке:

t=(60•E•U)/P (11)

где t — максимальное время автономной работы, мин;

Е — ёмкость батареи;

U=24В — суммарное напряжение батарей в ИБП;

Р — расчётная мощность нагрузки.

t=60•2000•24/5658=510мин.

3.5 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

Надежность — это свойство системы обеспечивать нормальное выполнение заданной функции, обеспечивать первоначальные технические характеристики в течение определенного времени в заданных пределах допуска.

Надежность характеризуется:

— безотказностью;

— ремонтопригодностью;

— долговечностью.

Сбой в работе сети сотовой связи может быть вызван различными причинами: обрывом линий связи, выходом из строя оборудования и некоторыми другими. Однако для пользователей услуг не имеет значения, вследствие чего пропадает связь.

В рамках соглашения о качестве обслуживания абоненту должен быть гарантирован определенный, достаточно большой промежуток времени, в течение которого показатели качества обслуживания не будут ниже заданных.

Простои, вызванные сбоями в работе сети, могут сопровождаться огромными потерями прибыли. Таким образом, актуальными являются вопросы сокращения времени простоя, оценка потерь, вызванных простоями, и оценка затрат на минимизацию этих потерь.

Для решения поставленных задач возникает необходимость в количественной оценке надежности. С этой целью в теории надежности вводятся количественные характеристики и устанавливается связь между ними, разрабатываются методы, позволяющие анализировать физические причины отказов и прогнозировать надежность.

Время наработки на отказ Тн и среднее время восстановления после сбоя Тв являются основными параметрами, которые следует учитывать при решении задачи обеспечения надежного и стабильного сервиса.

Параметры безотказности:

— интенсивность отказов системы;

— наработка на отказ системы;

— вероятность безотказной работы.

Зная Тср каждого элемента системы, можем определить интенсивность отказов л, 1/ч, каждого элемента по формуле:

л = 1/Tср (12)

Интенсивность отказов БС:

лБС=1/27 000=38•10^-6 1/ч

Интенсивность отказов контроллера:

лК=1/60 000=17•10^-6 1/ч

Интенсивность отказов мультиплексора:

лМ=1/46 000=22•10^-6 1/ч

Интенсивность отказов всей системы в целом вычисляется по формуле (13):

(13)

где лi — интенсивность отказов каждого элемента системы

Л (t)_c=(38+17+22)• 10^-6=77•10^-6 1/ч

Зная интенсивность отказов всей системы, можно определить наработку на отказ системы:

Тср.с=1/ Л (t)_c (14)

Тср.с=1/77•10^-6=12 987ч.=542сут.

Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в течение заданного времени не произойдет отказа в системе. Определяется по формуле (15):

P_с(t) = e-^Лt (15)

где t — время испытания, ч;

Л — интенсивность отказов системы.

Время испытания может принимать следующие значения: 24, 720, 2172, 8760 ч.

Расчет вероятности отказа при t=24ч:

P_с(t)=e^0,77•24=0,9981

при t=720:

P_с(t)=e^0,77•720=0,947

при t=2172:

P_с(t)=e^0,77•2172=0,847

при t=8760:

P_с(t)=e^0,77•8760=0,512

Рисунок 5.-Кривая безотказности системы.

Параметры ремонтопригодности:

— среднее время восстановления;

— коэффициент готовности;

— коэффициент простоя.

Используя параметры надежности T_cp и T_в, можно вычислить коэффициент доступности услуг К_д (коэффициент готовности К_г).

Коэффициент готовности — вероятность того, что система будет в работоспособном состоянии в любой момент времени в промежутках между выполнением профилактического обслуживания или ремонта.

Коэффициент готовности

К_г=Т_ср/(Т_ср+Т_в) (16)

где T_cp— среднее время наработки на отказ системы;

T_в — время восстановления системы.

К_г=12 987/(12 987+5)=0,9997

Коэффициент простоя учитывает все простои аппаратуры, вызванные техническим обслуживанием, но без учета простоев по организационным причинам.

Коэффициент простоя:

К_п=1-К_г(17)

К_п=1−0,9997=0,0003

Таблица 4.-Результаты расчета надежности системы.

Сравнив расчетные параметры с нормативными показателями были сделаны выводы о состоянии надежности системы. Так как Т_ср более 350 суток и К_г более 0,99, то данную систему можно считать надежной.

4. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

сотовый связь трафик коммутация

По результатам данных показателей и рассчитанных параметров было выбрано оборудование.

4.1 БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ HUAWEI DBS3900

Рисунок 6. Базовая станция Huawei DBS3900

Базовая станция Huawei DBS3900 работает одновременно в двух режимах, как GSM так и UMTS. Эта базовая станция поддерживает работу по IP транспорту, что является очень важной характеристикой. Так же DBS3900 поддерживает плавный переход к сетям 4 поколения, LTE.

Рисунок 7. Принципиальная схема Базовой станции DBS3900.

Базовая станция DBS3900 состоит из трёх частей:

1. BBUэто основная часть БС (Обрабатывает информацию)

2. RRUэто передатчики TRx.

3. Антенна (штыревая всенаправленная).

4.2 КОНТРОЛЛЕР БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ HUAWEI BSC6900

Рисунок 8. Контроллер базовых станций Huawei BSC6900

Контроллер базовых станций является важным элементом сети сотовой связи GSM и UMTS. Один 69-ый контроллер может работать в трёх режимах, как GSM, как UMTS, как GSM/UMTS и может обслуживать до 7−8 БС.

Таким образом, на сети с 1199 сотами понадобится 170 контроллеров, которые будут обслуживать по 7 БС и 1 будет обслуживать 8 БС.

Таблица 5. Основные характеристики контроллера BSC6900

4.3 МОБИЛЬНЫЙ ЦЕНТР КОММУТАЦИИ MSC SOFTX3000

Рисунок 9. Мобильный центр коммутации MSC SoftX3000

Мобильный центр коммутации MSC для сети GSM-R — важная часть решения Huawei для сетей мобильной связи GSM-R. Он содержит MSC-сервер и медиашлюз MGW, поддерживает стандартные интерфейсы и все услуги, определенные в спецификациях EIRENE (European integrated railway radio enhanced network). Он может взаимодействовать с устройствами других производителей, например, с центром диспетчеризации.

4.4 МАPШPУТИЗАТОP QUIDWAY AR46−40

Рисунок 10. Маpшpутизатоp Quidway AR 46−40

Маpшpутизатоpы Quidway сеpии AR 46 — это высокопроизводительные гpаничные маpшpутизатоpы для телекоммуникационных пpовайдеpов и сетей пpедпpиятий. Кpоме того, эти маpшpутизатоpы могут pаботать как магистpальные маpшpутизатоpы или высокопроизводительные агpегиpующие маpшpутизатоpы в сетях пpедпpиятий.

В маpшpутизатоpах Quidway AR 46 используются быстpодействующий микpопpоцессоp PowerPC и унивеpсальная платфоpма маpшpутизации (VRP). Эти маpшpутизатоpы пpедоставляют пользователям pазличные сpедства доступа с pазными пpотоколами канального уpовня. Они могут также поддеpживать DLSw, многоадpесную маpшpутизацию, pазличные типы VPN (включая VPN L2TP, GRE, IPSec и MPLS), пеpедачу голоса и услуги DDR.

Таблица 6.-Основные поддерживаемые протоколы и приложения

4.5 GSM ШЛЮЗ ATEUS EASYGATE FAX

Рисунок 11. GSM шлюз ATEUS EASYGATE FAX

Порт FXS Прием и передача аналоговых факсимильных сообщений GPRS-сервис Режим передачи данных, прием и посылка SMS Функция FSK Подключение внешнего устройства.

4.6 КОНДИЦИОНЕР LG GOOD G09AHT

Рисунок 12. Кондиционер LG Good G09AHT

Поскольку оборудование БС чувствительно к изменениям температуры и влажности было принято решение поставить систему контроля микроклимата. Наиболее простым решением является установка настенной сплинт-системы. В связи с этим был выбран кондиционер LG Good G09AHT с режимами работы охлаждения/обогрева, с функцией осушения воздуха и режимом автоматической работы.

5. АНАЛИЗ ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Так как в сети используется один частотный канал применяется схема трехэлемнтного кластера, в каждой соте которого одна частота.

Рисунок 13.-Структурная схема построения сети на базе кластеров

Всего по расчетам данная сеть включает в себя 1199 сот. 399 полных кластеров и один неполный, состоящий из двух сот.

Рисунок 14.-Принципиальня схема организации связи.

6. СМЕТА

Таблица 7.-Смета

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены общие принципы построения сети сотовой связи на базе стандарта GSM-1800 методом частотного планирования, требования и рекомендации по размещению оборудования БС; рассчитаны качественные параметры сети и ее надежность. По результатам расчетов выбрано оборудование. Составлена смета на строительство такой сети в среднем городе. Общая стоимость строительства составила 199 831 466. Из этого следует, что строительство такой сети не рентабельно, так как стоимость слишком высокая и сеть окупится через очень большое время. Это вызвано тем, что по задаче в одной соте используется всего одна частота. Если увеличить количество частот в соте, то ее радиус увеличится, а количество сот на сети уменьшится. Это значительно уменьши стоимость строительства и обслуживания данной сети.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Города Росси и связь — электронные данные http://seoofis.ru/

2. Muvicom — электронные данные http://www.muvicom.ru/

3. Компания ИМАГ — электронные данные http://www.emag.ru/

4. HUAWEI — электронные данные http://www.huawei.com/ru/