Создание (разработка) сети 3G в г. Железногорске

Для построения сети мы возьмем непосредственно  территорию г. Железногорска, т.к. на ней  сконцентрирована большая часть  населения ЗАТО. Площадь территории составляет примерно 80 кв. км.

Свой особый статус Железногорск получил благодаря градообразующим предприятиям - Горно-химическому комбинату, Научно-производственному объединению прикладной механики им. М.Ф. Решетнева (ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»), Управлению № 9 при Спецстрое России и Химическому заводу п. Подгорного – филиалу Красмашзавода.

 

В Железногорске развиваются ядерные  технологии, здесь выпускается 70% российских спутников гражданского назначения, создана мощная производственная база для промышленного и гражданского строительства. Город передовых  достижений науки и техники, Железногорск всегда славился развитой инфраструктурой, высоким уровнем образования, культуры, спорта и социальной обеспеченности его жителей.

Для построения сети необходимо определить количество абонентов, сделать расчет нагрузки на одну базовую станцию (голосового и пакетного трафика) определить суммарную нагрузку системы, рассчитать энергетические характеристики и определить радиус действия БС. разработать схему организации связи, выбрав топологию сети. Разработать ситуационный план расположения БС на карте города. Также произвести выбор оборудования проектируемой сети и рассмотреть ее размещение на одном из узлов. Необходимо спроектировать транспортную сеть, связывающую элементы сети 3G, и рассчитать ее основные характеристики.

2.2 Расчет информационных нагрузок и радиуса действия базовых станций

2.2.1 Услуги, предоставляемые сетью

 

Сети мобильной  связи предоставляют клиентам множество  новых услуг, представленных на рисунке 2.1, которые способны существенно повысить как доходы операторов, так и доходы производителей сетевого оборудования и телефонов. Появляется новый вид деятельности – предоставления информации с высокими скоростями табл. 1.4.1. Это позволяет получить качественно новый уровень связи и на его основе сформировать глобальное информационное пространство. Вследствие этого мобильный телефон становится не только средством голосового общения, но и многофункциональным устройством [1.10].

 

 

Рисунок 2.1 - Новые виды услуг сетей UMTS

 

Таблица 2.1 - Параметры услуг

Услуги сетей UMTS	Скорость передачи данных, кбит/с	Средняя длитель-ность сообщения, с	Режим работы		Пояснения
Речь, голосовая почта	4…32	60	Коммутация каналов		Голосовая связь
SМS, определение местоположения	9,6…14.4	30	Коммутация пакетов		Низкоскоростной обмен данными
Работа с сетью ISDN	До 64	156	Коммутация каналов	Передача данных от (к) абонентов сетей ISDN
Видиотелефонная связь, передача изображений и больших объёмов информации	128…134	144	Коммутация каналов	Интерактивный обмен мультимидийны-ми данными
Работа с сетью Интернет и интрасетями	384…2048	14…53	Коммутация пакетов	Асиммитричная передача мультимидийных данных

2.2.2 Оценка речевого трафика в сети UMTS

 

Необходимо  задаться размером кластера. Для проектируемой сети оптимальное количество кластеров равно 3. На одну базовую станцию возьмем 3 передатчика.

На основе статистических данных приведенных  на официальном сайте мэрии Железногорска на 2010 год количество жителей составило 102 200 человек. Максимальная ёмкость рынка по количеству абонентов использующих услуги сетей третьего поколения оценивается как 30 % от общего количества потенциальных абонентов. К началу 2009 общее количество абонентов сотовых сетей превысило общее количество жителей. Этот противоречивый факт объясняется тем, что абоненты пользуются услугами нескольких операторов. Поэтому при расчёте абонентов мы не учитываем количество жителей до 14 лет (не являющихся потенциальными абонентами) и не вычитаем их от общего количества жителей. На основании выше сказанного, потенциальное количество абонентов имеющих потребность в услугах предоставляемых сетями третьего поколения будет:

 

 

Рассчитаем  число одновременно говорящих абонентов:

 

где А_ср= 0,05 Эрл – нагрузка одного абонента в час наибольшей нагрузки; N _аб = 30 660 – количество абонентов.

 

У нас получилась нагрузка 1533 Эрл, она эквивалентна 1533 одновременно разговаривающих абонентов (N_од=1533 человек).

2.2.3 Оценка трафика данных в сети UMTS

 

В результате проведения работ состав параметров трафика данных будет расширен. В  то же время сотовые сети поколения 3G, должны взаимодействовать, с сетями связи общего пользования, и в этом плане целесообразно иметь систему параметров абонентского трафика сотовых сетей, согласующуюся с уже устоявшейся системой параметров сетей общего пользования, прежде всего телефонных сетей (ТФОП). Такой подход приводит к идее разработки структурных дополнений к применяемым в настоящее время параметрам абонентского трафика, получаемым на основе статистических данных, которые позволили бы согласовать их с аналогичными параметрами, применяемыми в сетях связи общего пользования, с учетом результатов воздействия новых технологий и расширения сферы предлагаемых услуг [1.10].

В качестве примера  может быть рассмотрен параметр, который  является определяющим для расчета  пропускной способности телекоммуникационных сетей — средняя нагрузка в  ЧНН на одного абонента сети. Как  показывает отечественный и зарубежный опыт, в процессе коммерческой эксплуатации сотовых сетей величина этого  параметра изменяется, обнаруживая  устойчивую тенденцию к снижению.

На начальном  этапе развития сетей (с учетом преимущественной передачи в сетях третьего поколения  речевой информации) величина параметра  составляет y₀ ≥ 25 мЭрл и, согласно статистическим данным по абонентскому трафику действующих сетей, по мере их развития, роста числа абонентов наблюдается ее снижение со средней интенсивностью 1-1,5 мЭрл в год до величины примерно 14-15 мЭрл.

Как показал  анализ, для сотовых сетей с  применением технологии UMTS возможно обобщение рассматриваемого параметра для абонентского трафика, включающего передачу речевой информации и пакетную передачу данных с объединением тайм-слотов в радиоканале. При этом прежде всего определяются и приводятся в соответствие первичные параметры трафика.

Возможности конкретного использования данного  принципа могут быть рассмотрены  на примере определения величины «добавки» к средней нагрузке в ЧНН на одного абонента сети по речевому трафику за счет передачи данных. Расчет проведен на основании  параметров, для следующих исходных данных:

- среднее число вызовов в ЧНН на одного абонента сети для передачи речевых сообщений С_ср [выз./ч] – 0,7;

- среднее число вызовов в ЧНН на одного абонента сети для передачи данных С*_ср [выз./ч] – 5,0;

- средняя длительность сеанса связи для речевого трафика t_ср [с] – 90;

- средний объем сообщений при передаче данных I_ср [кбит] – 2500;

- средняя скорость передачи данных и радиоканале R [кбит/с] – 32;

- средняя нагрузка в ЧНН на одного абонента сети по речевому трафику y₀ [мЭрл.].

 

 

- средняя нагрузка в ЧНН на одного абонента сети по передаче данных у*₀ [мЭрл].

 

где t*_ср – средняя длительность передачи сообщений,

 

- суммарное значение средней нагрузки в ЧНН на одного абонента сети

Y₀ [мЭрл]

Y₀=y₀+y*₀

Y₀ = 17,5 + 108 = 125,5  мЭрл.

Таким образом, для принятых исходных данных «добавка»  к величине средней нагрузки в  ЧНН на одного сопоставима с речевой.

Средняя нагрузка в час наибольшей нагрузки на одного абонента сети по передаче данных получилась равной: y*₀ = 125,5 мЭрл.

 Число  абонентов трафика данных  равно 30 660, значит средняя нагрузка в сети по передаче данных будет равна:

Y*₀=y*₀ N_UMTS,

где N_UMTS – количество абонентов UMTS.

Y*₀ = 125×10^-3×30 660 = 3832,5 Эрл.

Полученную  нагрузку по каналу данных прибавим к  числу одновременно говорящих абонентов  и посчитаем суммарную нагрузку канала данных и речевого канала:

А* = А + Y*_о,

где А – число одновременно говорящих абонентов по речевому каналу.

А* = 1533 + 3832,5= 5365,5 Эрл.

2.2.4. Радиус соты по методике начального приближения.

 

В разделе 2.2.2 у нас получилась нагрузка 1533 Эрл, она эквивалентна 1533 одновременно разговаривающих абонентов (N_од = 1533 чел.). Площадь занимаемая г. Железногорск составляет 80 кв км.  Найдем плотность одновременно разговаривающих абонентов:

n_а = N_од / S

где  S - площадь обслуживаемой территории (км²).

n_а = 1533/80 ≈ 19 чел/км²

Максимально возможный радиус соты при заданной нагрузке и обслуживаемой  территории определяется по формуле 

 

где n_а – плотность одновременно разговаривающих абонентов;

N_c – общее число каналов связи в соте [1.12]

Пусть максимальная пропускная способность базовой станции 14 Мбит/с, а средняя скорость предоставляемая одному абоненту равна 30 кбит/с, т.о. данный подход позволит предположить нам, что количество каналов составит 437,5

 

Теперь мы можем прикинуть  общее количество базовых станций (без учёта энергетических параметров):

 

2.2.5. Приближенный расчёт емкости соты при планировании сети UMTS.

 

Ёмкость соты определяется числом абонентов, обсаживаемых одновременно на одном частотном  канале (5МГц). Так как точное определение  этого числа является сложной  задачей, зависящей от многих факторов, рассмотрим приближенную методику расчёта, основанную на следующих допущениях [1.12]:

- все МС  в соте находятся на равном  удалении от антенны базовой  станции;

- все МС  имеют одинаковую мощность передачи  радиосигналов;

- все МС имеют одинаковую скорость передачи данных.

Введём понятие  выигрыша в отношении сигнал/шум за счёт широкополосности используемого сигнала (B>>1). С учётом принятых допущений все абоненты имеют одинаковый выигрыш G. При этом скорость передачи элементарных символов в соте фиксирована (3,84Мбод), а G определяется скоростью передачи данных К в канале. Скорость передачи данных в канале может быть равной 30, 60, 120, 240, 480 и 960 кбит/с. Следовательно, МС, использующие минимальную скорость  передачи данных, имеют выигрыш G=38 400 000 / 30 000=128.

Отношение мощностей  сигнала и шума на входе приемника  определяется выражением

(2.5.1)

Предположим, что в соте имеется N абонентов. Тогда для каждого абонента мощность шума определяется суммой мощностей радиосигналов от других абонентов. В этом случае (2.5.1) примет вид

(2.5.2)

При большом числе абонентов выражение (2.5.2) можно упростить:

.

Таким образом, , или число абонентов в соте:

(2.5.3)

Предположим, что база радиосигналов, используемых в соте, равна 128, требуемое отношение  сигнал/шум на входе приемника  базовой станции составляет 3 дБ.

Согласно (2.5.3)

.

Теоретически 64 – максимальное число абонентов  в соте при G=128 [1.10]. При расчёте учитывалось лишь влияние помех внутри соты. Если учесть влияние помех от соседних сот, то число обслуживаемых абонентов уменьшится в двое: 64/2=32. Зависимость возможного числа абонентов в соте от скорости показана на рис. 1.5.

 

Рисунок 2.2 Зависимость возможного числа абонентов в соте от скорости передачи данных.

Вопрос о зоне обслуживания представляется важным, когда сеть не ограничивается еще по пропускной способности (емкости), как, например, в  период первоначального развертывания  сети и, особенно, в сельских районах. Даже в городских районах сеть может быть ограничена зоной обслуживания, если предоставляется надежная зона обслуживания внутри зданий для услуг, требующих передачи данных с высокой  скоростью, а базовая станция  будет находиться снаружи. Требование иметь надежную зону обслуживания приводит к тому, что размеры ячеек делаются небольшими, что может обеспечить более высокую пропускную способность (емкость) на км², чем это необходимо. В макроячейках зона обслуживания определяется дальностью действия по восходящему каналу, так как мощность передачи подвижной станции много меньше, чем у базовой станции макроячейки. Выходная мощность подвижной станции обычно составляет 21 дБм (125 мВт), а базовой станции в макроячейке – 40-46 дБм (10-40 Вт) на сектор. Поэтому в секторе принимается в расчет зона обслуживания. Кроме того, в разделе 2.3 показано, что зона обслуживания для макроячейки ограничивается дальностью действия восходящего канала [1.12].

Влияние увеличения ресурса  каналов  на величину относительного радиуса ячейки может быть оценено с помощью выбора определенной модели распространения радиоволн, например, модели Окумура-Хата из раздела 2.3. В этом примере экспонента потерь на трассе равна 3,52, что в результате дает

 (1.4.4)

Относительное изменение  площади ячейки может быть вычислена как

 (1.4.5)

Результаты  вычислений необходимой относительной  плотности сайтов базовых станций  при заданном улучшении рабочей  характеристики канала представлены в  таблице 2.1. Плотность базовых станций обратно пропорциональна площади ячейки. Например, при улучшении качества канала на 5,3 дБ, плотность базовых станций может быть уменьшена приблизительно на 50%.

 

Таблица 2.2 Уменьшение плотности числа сайтов базовых станций при улучшении ресурса канала

Улучшение ресурса канала	Относительное число сайтов
0,0дБ=Опорная величина	100%
1,0 дБ	88%
2,0 дБ	77%
3,0 дБ	68%
4,0 дБ	59%
5,0 дБ	52%
6,0 дБ	46%
10,0 дБ	27%

 

 

Факторы, оказывающие воздействие  на получение максимальных потерь на трассе, можно видеть из рассмотрения ресурса каналов – смотри раздел 2.3. Влияние решений по базовой станции и скорости передачи описывается в этой главе. Связь между нагрузкой восходящего канала и зоной охвата обсуждалась в этом разделе выше.

Увеличение шума (помех) [дБ]

Пропускная способность [Кбит/c]

 

Рисунок 2.3 – Увеличение шума в восходящем канале как функция полной пропускной способности в восходящем канале

 

Требуемое значение отношения E_b/N₀ является главным фактором при расчёте емкости соты, связанным со скоростью передачи данных в частотном канале. Отношение сигнал/шум характеризуется следующими физическими принципами:

- спектральная  плотность тепловых шумов является  постоянной величиной и характеристикой  приемника;

- с увеличением  базы радиосигнала (выигрыша G) требуемое значение энергии радиосигнала для передачи одного бита сообщения (E_b) уменьшается;

- с увеличением  расстояния между МС и базовой  станцией требуемое значение  E_b увеличивается;

- чем выше  скорость перемещения МС, тем  выше требуемое значение E_b.

Таким образом, мы показали, что при расчёте нагрузки на базовую станцию разработчик  выбирает между несколькими компромиссами. Так же мы показали, что допущения сделанные нами в п. 2.2.4. вполне допустимы при расчёте размеров соты по методике начального приближения.