Контрольная работа: Анализ параметров сотовой сети подвижной связи

Анализ параметров сотовой сети подвижной связи

Анализ параметров сотовой сети подвижной связи

Контрольная работа

. Краткие сведения о принципах построения ССПС

1.1 Общие принципы построения сетей стандарта GSM

ПС стандарта GSM предназначена для обмена речевой, факсимильной и цифровой информацией между абонентскими системами, находящимися в одной или в разных сотах, а также обмен с абонентами различных систем общего пользования. Упрощенная структурная схема ССПС GSM представлена на рис. 1.1.

Рис . 1.1. Структурная схема сотовой сети стандарта GSM

Центр коммутации подвижной связи (MSC) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений для подвижных станций (MS). MSC обеспечивает интерфейс между ССПС и фиксированными сетями: PSTN (телефонная сеть общего пользования), ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб), PDN (сеть пакетной передачи данных, например, Internet) и др. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов, функции управления вызовами и коммутации радиоканалов. Кроме того, MSC организует “эстафетную передачу” для непрерывности связи при перемещении MS из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Оборудование базовой станции (BSS) состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Один BSC может управлять несколькими BTS. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

Центр управления и обслуживания (OMС) обеспечивает управление работой радио системы и организацию взаимодействия между BSS и MSC.

Подвижная станция (MS) состоит из оборудования для доступа абонентов сетей GSM к мобильным и фиксированным сетям. Каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллектуальную карточку. На время пользования системой связи абонент получает стандартный модуль подлинности (SIM), который содержит IMSI, индивидуальный ключ аутентификации (Ki) и алгоритм аутентификации (А3).

Доступ абонента к сети производится после проверки подлинности абонента, в процессе которой MSC передает на MS случайное число (RAND). MS с помощью ключа Ki и алгоритма А3 формирует значение отклика (SRES) и посылает его в сеть. MSC сравнивает полученный отклик с ожидаемым (вычисленным сетью) и при совпадении продолжает организацию обмена.

При перемещениях MS центр коммутации MSC осуществляет перепривязки абонента между базовыми станциями BTS, контроллерами BSC или может передать данную MS в другой центр MSC.

При включении МS выполняется определение местоположения абонента и выделение ему рабочих частот. При пересечении мобильной станцией границы соты сеть передает абонента другой BTS (а иногда другой BSC или даже другой MSC), при этом на МS производится автоматическая смена рабочих частот. На самом деле переключение рабочих частот производится не по географическим границам между сотами, а по совокупности параметров (уровни сигналов, помех, доля ошибок и др.), по которым производится выбор наилучшей радиолинии.

Ведение абонента - handover - включает несколько функций. Одна из них - эстафетная передача МS от одной BTS к другой при движении абонента с включенной МS без перерыва сеанса связи. Другая функция - переключение частотных каналов внутри одной соты, например, при поражении рабочего канала помехой. Наконец, при перегрузке соты сеть может передавать МS другой BTS, имеющей свободные частотно-временные каналы.

В отличие от handoverа процедура роуминга предполагает возможность пользоваться своим сотовым телефоном в других регионах страны (национальный роуминг) или за рубежом (международный роуминг), не меняя своего городского номера. Межсистемный роуминг обеспечивает взаимодействие абонентов подключённых к сотовым сетям различных поколений (2G, 3G и 4G).

Соединение абонентов с телефонной сетью общего пользования (PSTN) осуществляет MSC по линии связи 2 Мбит/с или более с помощью системы сигнализации SS-7. Для соединения с ISDN предусмотрено до четырех линий связи по 2Мбит/с, также поддерживаемых системой SS-7. Кроме того, определены интерфейсы для соединения с существующими аналоговыми ССПС (например, NMT 450), а также для соединения с международными сетями GSM.

В ССПС применяются методы многостанционного доступа с частотным (FDMA), временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов (рис. 1.2).

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов (TDMА). В структуре TDMA кадра GSM-900 содержится 8 временных позиций (окон) на каждой из 124-х несущих. Каждой MS для обмена предоставляется одно из окон на частоте передачи в полосе 890-915 МГц (линия “вверх”) и одно из окон на частоте приема в полосе 935-960 МГц (линия “вниз”). Каждая полоса разделена на 124 частотных канала с разносом в 200 кГц. Таким образом, физический канал в стандарте GSM представляет собой комбинацию временного и частотного разделения сигналов (8124=992 физических канала). Длина временного окна составляет 0.577 мс. Длина кадра равна 80.577=4.616 мс. При длительности одного бита равной 3.69 мкс, что соответствует канальной скорости в 271 кбит/с, информационная скорость в каждом из 8-и временных каналов составляет 24.7 кбит/с (суммарная информационная скорость в одном частотном канале составляет 824.7=197.6 кбит/с). Снижение скорости связано с тем, что в структуре окна из 156.25 бит информационными являются только 114 бит.

Рис. 1.2. Методы многостанционного доступа.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM -использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи, что существенно повышает устойчивость связи в условиях многолучевости и перемещения MS (максимальный радиус ячейки составляет 35 км). Если учесть, что между окнами длиной в 0.577 мс на перестройку частоты затрачивается время порядка 1 мс, то результирующая информационная скорость в GSM не превышает 9.6 кбит/с (используется ряд фиксированных скоростей: 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 кбит/с). Отметим, что при любых настройках и перестройках частоты сохраняется дуплексный разнос между каналами приёма и передачи в 45 Мгц.

Развитием стандарта GSM стало появление пакетных технологий передачи данных GPRS и EDGE, позволивших в несколько раз повысить скорость доступа в Internet. Дальнейшее развитие сотовых систем (начиная с конца 90-х годов) шло по линии увеличения эффективности использования спектра частот, при этом главным показателем становится отношение - бит/с/Гц.

Так вместо частотно-временного мультиплексирования в поколении 2G, в системах UMTS (поколение 3G) используется технология кодового разделения широкополосных каналов (WCDMA), обеспечившая скорость доступа в Internet до 2 Мбит/с, а с применением технологии HSPA этот уровень значительно превышен (в разных модификациях называются скорости по линии вниз (HSUPA) порядка 3-х, 7-и, 21-го и даже 42-х Мбит/с).

В разработке поколения 4G (в настоящее время это технология Long Term Evolution - LTE) поставлена задача - поднять эффективность использования спектра до 5-и, 15-и и даже 30 бит/с/Гц. С этой целью вместо кодового разделения каналов в поколении 4G реализуется метод мультиплексного доступа с ортогональным частотным разделением - OFDMA. Кроме того, широко внедряется и технология множественного входа и множественного выхода - MIMO, главной особенностью которой является использование нескольких передающих и приёмных антенн, образующих дополнительно к частотному и временному разделению каналов ещё и пространственное. С использованием этих инноваций ожидаемая скорость передачи для стационарных и малоподвижных объектов поднимается до 300, 600, а с расширением полосы даже до 1000 Мбит/с.

Интересной особенностью развития технологий сотовых сетей является то, что они кардинально меняют только наземную радиосеть системы (линии связи между базовой и мобильной станциями). В то же время, алгоритмы работы опорной сети (в основном это касается функций мобильного коммутационного центра - MSC), которые были хорошо отработаны в технологии GSM c GPRS, изменяются незначительно. Поэтому в настоящем разделе при изучении принципов функционирования сотовых сетей рассматривалась именно технология GSM, а в следующих разделах основное внимание уделяется некоторым характеристикам наземной радиосети.

1.2 Принципы построения наземной радиосети

Частотно-территориальный план. Сотовая система подвижной связи (ССПС) является составной частью подвижной наземной сети общего пользования (РLМN), включающей и такие технологии, как WiFi, WiMAX и др.

ССПС строят на основе частотно-территориальных планов (ЧТП). При этом обслуживаемую территорию разделяют на зоны обслуживания базовых станций (ЗОБС). Сама базовая станция (БС) располагается в центре такой зоны. Если на БС используется всенаправленная антенна то граница ЗОБС - окружность. На рис. 1. 3 показан фрагмент модели однородной сети.

В такой модели границы трех соседних зон пересекаются в одной точке. Соединив точки пересечения, получают границы ЗОБС в виде шестиугольника, называемого сотой. Итак, сота - ЗОБС в однородной модели при всенаправленных антеннах. Каждая БС поддерживает радиосвязь с абонентскими мобильными станциями (МС), находящимися в ее зоне обслуживания. Во избежание взаимных помех соседние БС работают на разных частотах. При частотном планировании составляют кластер.

Рис. 1.3. Фрагмент модели однородной радиосети.

Кластер - это совокупность ближайших сот, в которых используются не повторяющиеся частотные каналы. Число таких сот в кластере, называется его размерностью. На рис. 1.3 принята размерность кластера N = 3. Цифрами на этом рисунке обозначены частотные каналы, используемые в сотах. Размерность кластера N = 7 (Рис. 1.4) удобна при шестиугольной соте. Действительно, возможны разные частоты в одной центральной и шести пограничных сотах. Все частотные каналы системы делятся между БС кластера. Каждой БС присваивается группа каналов. Так, если в подвижной системе используется всего частотных каналов n_f =119 и кластер имеет размерность N = 7, то группа частотных каналов, приходящихся на одну соту, содержит число частот

=  = =17.

На рис. 1.4 приведен фрагмент ЧТП для модели сети с использованием кластера размерностью N = 7. Точками обозначены места установки БС. Цифрами обозначен номер группы рабочих частот в соте. Жирными линиями выделен центральный кластер. Пунктиром показаны пути прихода интерференционных помех на МС, находящуюся в соте 1 в наиболее удалённом от своей БС месте.

ЧТП составляют так, чтобы уровень интерференционных помех не превышал допустимых значений, что позволяет многократно повторять кластер и реализовывать достоинства сотовых систем в экономном использовании спектра радиочастот.

Основное достоинство любых сотовых систем - эффективное использование выделенной полосы частот за счет многократного повторения кластера на территории. Это позволяет обслуживать большое число абонентов при ограниченных ресурсах спектра

частот.

Сотовые структуры. На модели сети расстановка БС может быть выполнена в соответствии со структурой двух типов:

- регулярная сотовая структура, с использованием всенаправленных антенн. Этот вариант рассмотрен выше и показан на рис. 1.3 и 1.4;

-секторная сотовая структура, на основе направленных антенн.

Рис. 1.4. Фрагмент ЧТП при размерности кластера N=7.

В качестве направленных антенн на БС используются секторные антенны. Получили распространение секторные антенны с шириной главного лепестка диаграммы напрвленности антенны (ДНА) α = 60°, α = 90° или α = 120°. На рис. 1.3 показаны соты с секторными антеннами при α = 120°. В этом случае образуются секторы А, В и С. В каждом секторе устанавливается своя БС. Все БС устанавливаются в центре соты. Каждая БС работает на своих частотах, причем в каждом секторе используется своя группа частот. При составлении частотного плана в соседних секторах (или сотах - при регулярной сотовой структуре) частоты выбираются так, чтобы выполнялись нормы на присвоение частот в соседних группах. Эти нормы различны для каждого стандарта. На рис. 1.5 частотные группы обозначены 1А, 1В, 1С,... 3В, ЗС. В этом случае в центре соты устанавливается несколько антенн. Это могут быть 3 передающих антенны, 6 приемных (для разнесенного приема) и две антенны РРЛ для связи в опорной фиксированной сети. Место размещения БС получило название "сайт" от английского site - местоположение.

Рис. 1.5. Распределение частотных групп в сотах.

Каналы. Для выполнения своих сложных функций в ССПС предусмотрены система управления связью и специальные каналы управления. В ССПС предусмотрены две основные категории каналов:

- линейные каналы (или каналы трафика), предназначенные для передачи речи и данных. Для их обозначения часто применяют английскую аббревиатуру - ТСН (Traffic Chanel);

- каналы управления, которые используются для целей сигнализации и управления, включая ведение абонента. Их часто обозначают ССН. Наличие каналов для ведения абонента отличает ССПС от неподвижных систем радиосвязи с сотовой структурой, например, от РРЛ типа "пункт - много пунктов".

. Модели предсказания мощности сигнала

.1 Общие положения

радиосеть стандарт мощность сигнал

В этом разделе рассматриваются параметры радио-интерфейса ССПС от передатчика базовой станции (БС) до приёмника мобильной станции (МС). В системах радиосвязи дальность радиогоризонта зависит от высот подвеса антенн. Как правило, высота антенны БС () составляет десятки-сотни метров, высота антенны МС - несколько метров. В этом случае дальность радиогоризонта  = 25, 35, 50 км при  = 50, 100, 200 м. В городских условиях здания практически исключают возможность прямой видимости между антеннами БС и МС и мощность принятого сигнала оказывается значительно ниже, чем в свободном пространстве. В среднем, дополнительное ослабление в городе на частоте f = 900 МГц составляет 20...30 дБ при протяженности трассы R = 1...10 км. Это ослабление вызвано в основном отражением и рассеянием энергии сигнала на крупных строениях. Принимаемый сигнал имеет многолучевую структуру и подвержен глубоким замираниям.

Существует большое число моделей для прогнозирования уровня радиосигнала в системах подвижной радиосвязи.

Рельеф местности существенно влияет на уровень сигнала. Известны два основных метода для учета его влияния: детерминированный и статистический. Первый позволяет рассчитать множитель ослабления по конкретному профилю пролета и применим, для линий связи по схеме "от пункта к пункту", например, РРЛ. В этом случае медианное значение мощности сигнала в точке приема - это то, которое превышается в течение 50% времени наблюдения (например, месяца). В сотовых системах, где БС должна обеспечить связь на территории соты, часто применяют статистический метод, при котором параметры рельефа (высота препятствий, их форма и взаимное расположение, наклон местности и т.п.) считаются случайными величинами. Характер рельефа местности в соте оценивают параметрами, усредненными на участках трассы протяженностью 5 ... 10 км.

Выбор энергетических параметров в сотовых системах радиосвязи должен обеспечить уверенный прием в зоне обслуживания БС. В точках приема на границе соты уровень сигнала будет различаться вследствие неодинакового влияния застройки и рельефа местности. Поэтому в сотовых системах радиосвязи путем усреднения по двум параметрам: по времени и по местоположению (по числу точек приема) определяют усредненную медианную мощность сигнала (УММС). УММС - это такое значение, которое превышается в течение 50 % времени месяца и в 50% точек приема, находящихся на расстоянии R от передающей станции.