Разработка территориальной модели и электрической схемы блока сети сухопутной подвижной службы

• Введение
• 1. Предварительный расчет частотно-территориального планирования однородной сети подвижной связи
• 1.1 Обоснование и выбор ЭППР
• 1.2 Расчет территориальной модели однородной сети
• 1.3 Расчет интерференционных помех территориальной модели однородной сети
• 1.4 Расчет напряженности поля на границе зоны покрытия
• 1.5 Предварительное планирование емкости однородной сети подвижной связи
• 1.6 Моделирование радиопокрытия на электронной географической территории
• 2. Расчёт и построение модели блока системы подвижной
• 2.1 Обоснование и выбор схемы электрической структурной обработки сигнала передачи
• 2.2 Обоснование выбора порождающих полиномов скредера и сверточного кодера
• 2.3 Разработка и обоснование схемы электрической функциональной генератора ПСП
• 2.4 Разработка и исследование модели генератора ПСП в среде программы Electronic Workbench 5.12
• Заключение
• Литература

В современном мире подвижная связь играет очень важную, незаменимую роль. Мобильной связью пользуются люди совершенно разных профессий для решения абсолютно разных задач. Сотовая связь, как наиболее экономичный и удобный способ организации подвижной связи распространён во всех развитых и развивающихся странах. Он позволяет людям обменяться информацией за считанные минуты, донести до людей важную информацию, времени на доставку которой, порой катастрофически не хватает. И всё это при высоком уровне мобильности абонента.

Но если взглянуть на подвижную связь с другой стороны, то организация сотовой связи — это весьма сложный и трудоёмкий процесс. Сотни умов по всему миру трудятся, разрабатывая новые методы, способы и устройства связи. Тысячи работников обеспечивают качественную и своевременную связь своим абонентам. Именно благодаря им и достижениям современной науки и техники, становиться возможным использовать более мощные и миниатюрные устройства, с лучшими параметрами и характеристиками. Мобильные телефоны со стремительной скоростью эволюционировали от аппаратов первого поколения до четвёртого. Сегодня человек может не только разговаривать и обмениваться сообщениями, но и свободно выходить в интернет из любой точки зоны покрытия сети сотовой связи.

В данном курсовом проекте для построения модели сети сухопутной подвижной связи будет используется технология IMT Advanced. Эта технология относится к 4 поколению мобильной связи. К её достоинствам можно отнести:

· высокая степень унификации выполняемых функций в глобальном масштабе при сохранении гибкости в предоставлении широкого диапазона служб и применений экономичным способом;

· совместимость услуг в рамках IMT и с фиксированными сетями;

· возможность взаимодействия с другими системами радиодоступа;

· услуги подвижной связи высокого качества;

· оборудование пользователя, пригодное для использования по всему миру;

· применения, услуги и оборудование, удобные в использовании;

· возможность всемирного роуминга;

· скорости передачи данных с повышенными пиковыми уровнями для обеспечения более совершенных услуг и применений (100 Мбит/с для высокой мобильности и 1 Гбит/с для низкой мобильности).

Эти характеристики IMT-Advanced позволяют удовлетворять растущие потребности пользователей. При этом возможности систем IMT-Advanced постоянно совершенствуются в соответствии с изменением запросов пользователей и развитием технологий.

Задачей данного курсового проекта является проектирование сети сухопутной подвижной связи. На её примере предстоит разобраться в методах и способах построения сетей сотовой связи различных стандартов, закрепить знания, полученные ранее в этой области. На примере реального города построить и просчитать все параметры сети подвижной связи, обосновать их с помощью ранее полученных знаний и соответствующей литературы.

1. Предварительный расчет частотно-территориального планирования однородной сети подвижной связи

1.1 Обоснование и выбор ЭППР

Всю территорию разделим на элементарные площадки пространственного радиопокрытия. Это необходимо с целью обслуживания значительного количества абонентов и в связи с особенностями распространения электромагнитных волн заданного диапазона частот.

Определим, может ли одна базовая станция обеспечить покрытие заданной зоны. Для этого рассчитаем расстояние прямой радиовидимости по формуле:

H=3,57…4,2 (1)

где, м? высота подвеса и мачты антенн соответственно мобильной и базовой станций.

Примем =1,7 м — средний человеческий рост

Примем = 70 м — высота одной вышки расположенной в центре

Подставим значения в формулу:

H=4км

Проанализируем возможность построения модели сети при помощи одной базовой станции по формуле:

H > CKR, км (2)

где G=CK — общее количество сот, без учета особенностей территориального планирования;

C-размерность кластера;

K-количество кластеров.

По заданию: С=12; K=4

Подставим значения в формулу:

38,68 км < (12*4*4) км

Следовательно для построения модели сети придётся задействовать больше одной базовой станции. Это так же связано с формой рельефа местности, которая может сильно отличаться от равнинной, и одной базовой станции может не хватить для обеспечения качественного сигнала без затенений.

Выберем форму ЭППР, наиболее подходящую для покрытия всей зоны обслуживания сети. Основными критериями выбора являются следующие: равное расстояние между смежными антеннами, отсутствие перекрытия соседних ячеек между собой.

Самой простой, при реализации формой служит круг, но при его использовании появляются зоны с обслуживанием сразу двумя базовыми станциями. Поэтому проведём аппроксимацию обслуживаемой территории с помощью n-угольников. Площадь n-угольников и погрешность аппроксимации рассчитаем по формулам:

(3)

где — площадь правильного n-угольника;

— площадь круга.

Рассчитаем площади и погрешности ЭППР и занесём значения в таблицу:

Таблица 1? Погрешности при аппроксимации ЭППР

Проанализируем основные формы ЭППР:

Круг: Лёгок в реализации, обеспечивает одинаковое расстояние между смежными БС. Наличие зон перекрытия соседних БС.

Треугольник: Удобство сопряжения. Малая зона покрытия, экономически не выгоден.

Квадрат: Удобство сопряжения и реализации. Разное расстояние между смежными БС и сложность хэндовера.

Пятиугольник: Хороший показатель погрешности аппроксимации. Сложность сопряжение сот между собой.

Гексагоноид: Очень хороший показатель погрешности аппроксимации. Удобство сопряжения сот между собой.

Семиугольник: Отличный показатель погрешности аппроксимации, Сложность сопряжения сот.

Восьмиугольник: Очень близок к форме круга. Сложность сопряжения и организации хэндовера.

Рассчитав значения площадей и погрешностей ЭППР, выберем и зарисуем наиболее подходящую форму соты. Предпочтительнее всего выбрать форму гексагоноида, так как она позволяет удобно сопрягать соты между собой, обеспечивать хэндовер и достаточно близко приближается к форме круга:

Рисунок 1 — Кластер из семи ЭППР

1.2 Расчет территориальной модели однородной сети

Следующим шагом рассчитаем относительные координаты базовых станций в которых будут использоваться одни и те же радиоканалы, кодовые каналы и временные каналы. Это можно сделать по формуле подставив количество сот в кластере — С и определить a и b методом подбора:

С=а²+аb+b² (4)

Подставим в формулу значение С=12 из условия и примем a=2, b=2:

12=2²=2*2=2²

Получаем верное равенство. Зная координаты a и b построим модель из 4 кластеров (по условию):

Рисунок 2 — Модель сети подвижной связи из четырёх кластеров

Рассчитаем защитный интервал для сотовой сети по формуле:

км (5)

D=4*=24 км

Рассчитаем уровень уменьшения соканальных (интерференционных) помех для сотовой сети по формуле:

(6)

=6

Зная площадь соты (ячейки), S_с, рассчитаем площадь кластера по формуле:

S_кл= S_с*С, км² (7)

S_кл=41,57 *12=498,84 км²

Расстояние между ближайшими BS рассчитаем по формуле:

Z_n=2 R sin (р/n), км (8)

Z_n=2*4 sin (р/6) =4 км

Угол между осями используемой системы координат однородной модели с учетом сферичной формы Земли рассчитаем по формуле:

рад (9), =60^о

В построенной сети расстояние от центра любого шестиугольника до начала координат рассчитаем по формуле:

км (10)

=24 км

Занесём в таблицу 2 значения относительных координат базовых станций одного кластера модели сети подвижной связи:

Таблица 2? Координаты размещения семи BS

1.3 Расчет интерференционных помех территориальной модели однородной сети

Рассмотрим изображение центральной части модели сети из 4 кластеров:

Рисунок 3 — Центральная часть модели сети подвижной связи

Применяя сведения из геометрии определим расстояние от точки, А до точки М1

км (11)

км

Для остальных мешающих станций (точки М2, М3, М4, М5 и М6) расстояния определим по формулам:

км (12)

км

км (13)

км

км (14)

км

км (15)

км

км (16)

км

Следующим шагом, зная расстояния до мешающих станций, рассчитаем ослабление мощности в дБ на рассчитанных расстояниях и на расстоянии R по модели COST 231-Хата, используя формулы:

(L₅₀) =46,3+33,9lgf-13,82 lg (h_{BS, eff}) — a (h_MS) + (44,9−6,55 lg (h_{BS, eff})) lgR_n+C_{0 (}17)

где: f — рабочая частота, МГц

h_{BS, eff}, h_MS — эффективная высота BS и MS, м

R_n — расстояния до мешающих станций, км

С₀ — постоянная для средних городов и пригородных районов с умеренной растительностью С₀=0, а для центров крупных больших городов С₀=3.

a (h_MS) = (1,1lgf-0,7) h_MS— (1,56lgf-0,8)

— для города, при h_MS=1…10 м.

Для крупного города он задается выражениями (в дБ):

a (h_MS) =3,2 (lg11,75h_MS) ²-4,97 для f?400МГц

В пригородной местности потери при распространении сигнала рассчитаем с помощью формулы:

(L₅₀) dВ= (L₅₀) dВ/город-2 (lg (f/28)) ²-5,4 (18)

В условиях открытой местности потери рассчитаем с помощью выражения:

(L₅₀) dВ= (L₅₀) dВ/город-4,78 (lg (f)) ²+18,33lgf-40,94 (19)

Произведём необходимые расчёты и занесём значения ослаблений в таблицу 3:

Для крупного города:

(L₅₀) _R = 46,3+120,48−25,5−0,44+19,75+3=163,59 дБ

(L₅₀) _M1 = 46,3+120,48−25,5−0,44+42,67+3=186,51 дБ

(L₅₀) _{M2; 6} = 46,3+120,48−25,5−0,44+44,21+3=188,05 дБ

(L₅₀) _{M3; 5} = 46,3+120,48−25,5−0,44+46,54+3=190,38 дБ

(L₅₀) _M4 = 46,3+120,48−25,5−0,44+47,47+3=191,31 дБ

Для пригорода:

(L₅₀) _R = 163,59−8,88−5,4=149,31 дБ

(L₅₀) _M1 = 186,5−8,88−5,4=172,22 дБ

(L₅₀) _{M2; 6} = 188,05−8,88−5,4=173,77 дБ

(L₅₀) _{M3; 5} = 190,38−8,88−5,4=176,1 дБ

(L₅₀) _M4 = 191,31−8,88−5,4=177,03 дБ

Для открытой местности:

(L₅₀) _R = 163,59−60,24+65,07−40,94=127,48 дБ

(L₅₀) _M1 = 186,5−60,24+65,07−40,94=150,39 дБ

(L₅₀) _{M2; 6} = 188,05−60,24+65,07−40,94=151,94 дБ

(L₅₀) _{M3; 5} = 190,38−60,24+65,07−40,94=154,27 дБ

(L₅₀) _M4 = 191,31−60,24+65,07−40,94=155,2 дБ

Таблица 3 — Результаты расчётов ослаблений

1.4 Расчет напряженности поля на границе зоны покрытия

Для начала найдём уровень мощности P_T1 тепловых шумов приемника, пересчитанных к входу:

(20)

где:

n_Т1 выбираем равным 7…9 дБ для частот диапазона 800…1000 МГц, и 5…7 дБ для частот 300…800 МГц, 7…9 дБ для частот 1000…3500МГц.

— полоса одного радиоканала, в котором располагается модулированный сигнал, кГц.

P_T1 =9−144+34= (-101) дБ

Тогда минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия определим по формуле:

(21)

где:

— энергетический запас, выбираем его равным из диапазона =5…10 дБ,

— отношение сигнал-шум на входе приемника, для систем стандарта GSM и TDMA равно 12…18 дБ, для систем с кодовым разделением 6…8 дБ, а для систем с OFDMA 5.6дБ.

P_C ® = - 101+6+8=-87 дБ

Формула для расчета мощности BS и MS в точке приема имеет вид:

(22)

где:

PBS — излучаемая мощность BS, Вт;

G_R, G_T — коэффициенты усиления приемной и передающей антенн, их необходимо взять из программы RPS;

а_{ф -} потери в фидере передающей станции обычно составляют 0…10 дБ. Рассчитаем данный параметр:

87=P_BS+5- (10*lg (4*3.14*4000/0,0838) ² + 10)

Отсюда выразим P_BS = 125,6−87−5=33,6 дБм

Тогда напряженность электрического поля на границе зоны покрытия Еg, дБВ/м определим по формуле:

(23)

где:

f, МГц — средняя частота заданного диапазона частот с учетом дуплекса:

или (24)

E_g = - 87 — 73,3+71,08 = - 89,22 дБ*В/м

А напряженность электрического поля в В/м определим по формуле:

В/м (25)

=28,9 В/м

Для создания такой напряженности необходимо, чтобы передатчик формировал мощность:

(26)

где:

Е напряженность электрического поля в точке приема, В/м,

d — расстояние до точки приема d=R, км

G — коэффициент усиления передающей антенны, выбирается в пределах от 1до 10.

h_ms, h_bs — высота подвеса антенн мобильной и базовой станций с учетом сферичности Земли.

1.5 Предварительное планирование емкости однородной сети подвижной связи

В данном разделе курсового проекта нашей задачей является планирование ёмкости однородной сети подвижной связи.

Первым шагом является выбор ширины полосы канала в соответствии с техническими характеристиками, и заданным числом сот в кластере.

Для начала определимся с шириной полосы одного канала. Учитывая выделенную полосу в 40 МГц и количество сот равное 12 (плюс первая сота разделена на 3 сектора с учётом плотности населения), можем определить нужное количество каналов и их ширину:

N=11+3=14 каналов

МГц

— максимально допустимая ширина полосы в нашем случае.

Таким образом, выберем ближайшее значение ширины полосы из возможных значений. Ближайшее значение, удовлетворяющее характеристикам — 2,5 МГц.

То есть в выделенной полосе в 40 МГц уместиться 16 каналов. Мы задействуем только 14 из них, а 2 оставим как резервные.

При этом частоту несущего колебания каждого канала можно будет найти по формуле ([5] с.39):

МГц — для линии вверх

МГц — для линии вниз

где n — номер канала

Высчитаем значения поднесущих каналов:

Линия вверх:

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

Линия вниз:

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

МГц

Теперь выделим для каждой соты свой канал и отметим его на частотном плане и на графике распределения каналов (рисунок 5 и 4):

Рисунок 4 — График распределения радиоканалов по частоте

Рисунок 5 — Частотный план сети подвижной связи

Зная вероятность отказа в соте Р_ОТК и количество физических каналов n, определим трафик соты А_С с помощью программы «Эрланг-калькулятор» :

Оно составит: 166,85 Эрл

Зная трафик соты, рассчитаем трафик кластера:

Эрл. (27), А_кл = 166,85 *12 =2002,2 Эрл

Тогда трафик всей сети:

Эрл. (28)

А_сети = 2002,2*4 =8008,8 Эрл

И можно определить количество пользователей в сети:

(29)

N_n = 8008,8/0,021 = 381 371 аб.

1.6 Моделирование радиопокрытия на электронной географической территории

После произведённых расчётов следующим шагом является моделирование четырёх сот сети подвижной связи на электронной географической карте с помощью программы RPS. Разместим на электронной карте 4 базовые станции и зададим необходимые параметры. Координаты места расположения станций и прочие характеристики приведены в таблице 4:

Таблица 4 — Параметры размещения четырёх БС

В приложении 1 приведены территориальный план части кластера и изображение трассы в направлении от BS1 до BS2.

2. Расчёт и построение модели блока системы подвижной

2.1 Обоснование и выбор схемы электрической структурной обработки сигнала передачи

В данном разделе курсового проекта разберём устройство систем подвижной связи IMT-Advance. Данная технология относится к 4-му поколению связи и имеет свои особенности. Ниже приведена структурная схема устройства подвижной связи. Разберём принципы работы основных блоков:

Рисунок 6 — Структурная схема устройства подвижной связи стандарта IMT Advanced

Звуковые волны, при помощи микрофона преобразуются в электрический аналоговый сигнал. Речевой кодер осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровую форму и осуществляет предварительное кодирование сигнала. Перемежитель переставляет части последовательного цифрового потока по определённому закону, чтобы минимизировать действие ошибок на закодированную последовательность. После этого сигнал поступает на преобразователь кода, где два параллельных потока преобразуются в один последовательный поток данных.

Сигнал с клавиатуры поступает на кодер кнопок, где преобразуется в последовательность единиц и нулей и кодируется помехоустойчивым кодом. После перемежителя сигнал так же поступает на преобразователь кода.

Скремблер предназначен для устранения в потоке данных серий из единиц либо из нулей. В сумматоре происходит сложение информационного сигнала с псевдослучайной последовательностью. Скремблирование способствует дальнейшей самосинхронизации и сужению спектра сигнала.

Блок формирования комплексной огибающей формирует из скремблированого сигнала комплексную огибающую.

Последовательный цифровой поток поступает на OFDM модулятор. А именно на демультиплексор где преобразуется в несколько параллельных потоков с одинаковой скоростью. Каждый подпоток модулирует свою собственную ортогональную несущую. Затем полученные сигналы суммируются при помощи мультиплексора в один OFDM сигнал.

Выходной сигнал усиливается усилителем мощности и направляется для излучения в пространство при помощи встроенной антенны.

2.2 Обоснование выбора порождающих полиномов скредера и сверточного кодера

Скредер может состоять из генераторов ПСП и сумматоров по модулю два. Так как скредер использует логические сигналы на своем входе, то в качестве сумматора по модулю два используется логическое устройство — исключающее ИЛИ.

Для составления схем генераторов ПСП в задании дан порождающий полином g (x). Он представлен в десятичной системе исчисления. Поэтому представим десятичное число двоичным и запишем для него полином:

(30)

где — значения разрядов двоичного числа 0 или 1.

87 ₍₁₀₎ =1 010 111 ₍₂₎

Докажем, что полином порождающий. Для этого разделим на и получим проверочный полином

(31)

Если результат деление получается без остатка, то полином порождающий, а — проверочный.

Определим общее количество разрядов кода по формуле:

(32)

где r — старшая степень порождающего полинома.

Запишем десятичное число 87 в двоичной системе ₂=1 010 111, а затем полиномом .

Тогда X⁶⁴⁻¹ делим на полином в полиномиальной двоичной форме. Знак минус можно поменять на плюс, так как это двоичная система:

X⁶³-1/X⁶+X⁴+X²+X+1 = X⁵⁷+X⁵⁵+X⁵²+X⁴⁹+X⁴⁸+X⁴⁵+X⁴³+X⁴²+X³⁶+X³⁴+ +X³¹+X²⁸+X²⁷+X²⁴+X²²+X²¹+X¹⁵+X¹³+X¹⁰+X⁷+X⁶+X³+X+1

Полином поделился нацело без остатка. Следовательно, полином — порождающий. Можно приступать к построению генератора ПСП.

2.3 Разработка и обоснование схемы электрической функциональной генератора ПСП

Генератор ПСП строится по следующей структурной схеме:

Рисунок 7 — Схема структурная, типовая генератора ПСП

Рисунок 8 — Структурная схема генератора ПСП

Построим структурную схему генератора ПСП по заданному полиному. Она будет иметь вид:

Проанализируем работу генератора с помощью таблицы истинности. Пусть до подачи тактовых импульсов в ячейках памяти было записано число 100 000. С поступлением 1-го тактового импульса в третью ячейку 3 запишется — 1, а во вторую — 0, а в первую — 1, так как сумма по модулю два сигналов ячеек 1, 2, 4 равна 1. Применяя такую же методику для остальных состояний, получим таблицу истинности (таблица 11) генератора ПСП.

Таблица 5 — Состояние ячеек памяти

Полученные последовательности могут обладать свойствами, которые приведем ниже. Длительность Т — последовательности можно рассчитать по формуле:

(33)

где, а — длительность одного импульса (чипа).

T=63*1/3,84*10⁶ = 16,4 мкс Число М — последовательностей, которое может формировать генератор, может определяться по формуле:

(34)

где:

— функция Эйлера (число чисел в ряду 1,2,…N-1 взаимно простых с числом N, если N простое число, то)

К₀ — число разрядов в сдвигающем регистре Ширина спектра ШПС формируемого генератором ПСП может быть рассчитана по формуле:

Гц (35)

МГц База сигнала ПСП, которая формируется генератором М-последовательности, определяется по формуле:

(36)

где Т — период ПСП, — длительность чипа.

B = 16,4*10⁶/0,26*10^-6 = 63

2.4 Разработка и исследование модели генератора ПСП в среде программы Electronic Workbench 5.12

В приложении 2 приведена схема электрическая принципиальная генератора ПСП, построенного в среде программы Electronic Workbench 5.12. Схема собрана на D-триггерах. Именно они играют роль ячеек памяти.

В приложении 2 приведены временные диаграммы в точках принципиальной схемы. Они будут соответствовать таблице истинности, приведённой на странице 27 (Таблица 5).

Как видно из временных диаграмм, они в точности соответствуют таблице истинности.

При моделировании схемы использовались следующие элементы:

Сумматор по модулю два:

подвижная связь мобильная сухопутная Рисунок 9 — Условное графическое обозначение сумматора по модулю два

D-триггер:

Рисунок 10 — Условное графическое обозначение D-триггера

Заключение

В ходе данного курсового проекта была построена и полностью рассчитана территориальная модель сети подвижной связи. Были найдены основные параметры и характеристики.

Часть сети (4 соты) была смоделирована при помощи программы RPS 2, используемой предприятиями для территориального планирования своих сетей.

Были получены навыки в расчёте и построении сете подвижной связи. Изучена технология IMT Advanced, как одна из перспективных технологий четвёртого поколения. Были закреплены знания по дисциплине «Системы подвижной связи» .

При расчётах и проектировании выявились некоторые особенности. А именно: неактуальность некоторых формул для сетей, работающих на частотах больших 1 ГГц. Были найдены подходящие формулы и произведены расчёты.

При проектировании в среде программы Electronic Workbench 5.12 выяснилась следующая особенность: поданный на триггер сигнал при поступлении тактирующего импульса проходит на выход последующего триггера беспрепятственно. Т.о. не удаётся загрузить единицу только в одну ячейку памяти. В реальной же схеме сигнал проходит на выход триггера вместе с тактирующим импульсом, на выход следующего триггера со следующим импульсом и т. д.

Таким образом, была проделана большая работа, которая помогла закрепить имеющиеся знания и приобрести новые. Данный опыт, несомненно, пригодится при дальнейшей работе на предприятиях связи!

1. Весоловский, К. Системы подвижной радиосвязи / К. Весоловский, Перевод с польского И. Д. Рудинского; под ред.А. И. Ледовского. — М.: Горячая линия — Телеком, 2006. — 536с.

2. Громаков Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи / Ю. А. Громаков. — М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. — 230 с.

3. Карташевский В. Г. Сети подвижной связи / В. Г. Карташевский, С. Н. Семенов, Т. В. Фирстова. — М.: ЭКО — ТРЕНДЗ, 2001 — 440с.

4. Электронный ресурс: http://studysphere.ru

5. Курсовое проектирование 2012 — Методические указания