Создание (разработка) сети 3G в г. Железногорске

2.3. Расчёт энергетических и пространственных параметров сети.

 

Ниже приводятся анализ ресурсов радиолинии для типичных услуг UMTS: услуга по передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с использованием речевого кодека AMR, данных, передаваемых в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с, и данных, передаваемых в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с в городской макросотовой среде при запланированном повышении помех в восходящем канале на 3 дБ. Запас помехозащищенности в 3 дБ резервируется для компенсации увеличения помех в восходящем канале. В таблицах 2.3 и 2.4 используются значения, которые рассматривались в ресурсах линии для приемников и передатчиков.

 

Таблица 2.3 - Принятые значения для МС

	Речевой терминал	Оконечное устройство ввода данных
Максимальная передаваемая Мощность	21 дБм	24 дБм
Коэффициенты усиления антенны	0 дБн	2 дБн
Потери из-за влияния тела	3 дБ	0 дБ

 

Таблица 2.4 - Принятые значения для БС

Коэффициент шума	5.0 дБ
Коэффициент усиления антенны	18 дБн (3-х секторная базовая станция)
Требование к Eb/N0	Речь: 5,0 дБ Данные в реальном времени при  скорости передачи 144 Кбит/с: 1,5 дБ Данные в нереальном времени  при скорости передачи 384 Кбит/с: 1,0 дБ
Потери в фидере (кабеле)	2,0 дБ

 

Ресурс линии радиосвязи в таблице 2.5 анализируется для передачи речи со скоростью 12,2 Кбит/с для пользователей находящихся в машине, включая потери 8,0 дБ внутри машины. В этом случае никакого запаса на быстрые замирания не резервируется, поскольку при скорости 120 км/час быстрое управление мощностью не позволяет компенсировать замирания. Полагаем, что требуемое E_b/N₀ равно 5,0 дБ. Требование E_b/N₀ зависит от битовой скорости вида обслуживания, профиля многолучевости, скорости перемещения МС, алгоритмов приемника и структуры антенны БС. Для низких скоростей МС требование к E_b/N₀ является низким, но, с другой стороны, требуется запас на быстрые замирания. Как правило, низкие скорости МС являются огранивающим фактором в определении размеров зоны обслуживания из-за требуемого запаса на быстрые замирания. В таблице 2.6 приведен анализ ресурса линии для обслуживания передачи данных в реальном времени со скоростью передачи 144 Кбит/с, при 80% вероятности обеспечения нахождения абонента внутри здания. Основное различие данных в табл. 1.10 по отношению к табл. 1.9 состоит в разных выигрышах в отношении сигнал/шум при обработке сигналов, более высокой мощности передачи МС и более низких требованиях к E_b/N₀. К тому же, запас 4,0 дБ резервируется для быстрого управления мощностью, чтобы можно было компенсировать замирания при скорости движения 3 км/час. Здесь допускаются средние потери на проникновение в здание, равные 15 дБ.

В таблице 2.7 приводится анализ ресурса радиолинии для обслуживания передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с вне помещения. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов ниже, чем в предыдущих таблицах из-за более высокой скорости передачи. Кроме того, требование E_b/N₀ ниже, чем при более низких скоростях передачи. Этот ресурс радиолинии рассматривается при допущении, что мягкий хэндовер отсутствует.

 

Таблица 2.5 - Исходный ресурс радиолинии для передачи речи с помощью кодека AMR со скоростью передачи 12,2 Кбит/с (120 км/час, пользователи в машинах, канал типа А для транспортного средства, при мягком хэндовере).

Телефонная услуга (передача речи) со скоростью 12,2 Кбит/с (120 км/час, в автомобиле)
Передатчик МС
Максимальная мощность передачи МС [Вт]	0,125
То же, но в дБм	21,0		A
Коэффициент усиления антенны МС [дБн]	0,0		B
Потери влияния тела человека, [дБ]	3,0		C
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	18,0		d=a+b-c
Приемник (БС)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		E
Коэффициент шума приемника БС [дБ]	5,0		F
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности[дБ]	3,0		I
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум  при обработке сигналов [дБ]	25,0		L=10*log(3840/12.2)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	5,0		M
Чувствительность приемника [дБ]	-120,2		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны БС[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на БС [дБ]	2,0		P
Запас на быстрое замирание (дБ)	0,0		Q
Максимальные потери на трассе [дБ]	154,2		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	95
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	7,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	7,3		S
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	3,0		T
Потери в машине [дБ]	8,0		U
Допускаемые потери на распространение  до границ ячейки [дБ]	141,9		v=r-s+t-u

Таблица 2.6 - Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с (3 км/час, пользователь внутри здания обслуживается БС, находится вне  здания, канал типа А для транспортного средства, при наличии мягкого хэндовера).

Передача данных в реальном времени  со скоростью 144 Кбит/с
Передатчик МС
Максимальная мощность передачи МС [Вт]	0,25
То же, но в дБм	24,0		a
Коэффициент усиления антенны МС [дБн]	2,0		b
Потери влияния тела человека, [дБ]	0,0		c
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	26,0		d=a+b-c
Приемник (БС)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		e
Коэффициент шума приемника БС [дБ]	5,0		f
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности [дБ]	3,0		i
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум  при обработке сигналов [дБ]	14,3		l=10*log(3840/144)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	1,5		m
Чувствительность приемника [дБ]	-113,0		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны БС[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на БС [дБ]	2,0		p
Запас на быстрое замирание (дБ)	4,0		q
Максимальные потери на трассе [дБ]	151,0		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	80
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	12,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	4,2		s
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	2,0		t
Потери в машине [дБ]	15,0		u
Допускаемые потери на распространение  до границ ячейки [дБ]	133,8		v=r-s+t-u

 

Таблица 2.7 -Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с (3 км/час, пользователь вне помещения, транспортное средство, канал типа А, без мягкого хэндовера).

Передача данных в нереальном времени  со скоростью 384 Кбит/с без мягкого хэндовера
Передатчик МС
Максимальная мощность передачи МС [Вт]	0,25
То же, но в дБм	24,0		a
Коэффициент усиления антенны МС [дБн]	2,0		b
Потери влияния тела человека, [дБ]	0,0		c
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	26,0		d=a+b-c
Приемник (БС)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		e
Коэффициент шума приемника БС [дБ]	5,0		f
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности [дБ]	3,0		i
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум  при обработке сигналов [дБ]	10,0		l=10*log(3840/12/2)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	1,0		m
Чувствительность приемника [дБ]	-109,20		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны БС[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на БС [дБ]	2,0		p
Запас на быстрые замирания (дБ)	4,0		q
Максимальные потери на трассе [дБ]	147,2		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	95
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	7,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	7,3		s
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	0,0		t
Потери в машине [дБ]	0,0		u
Допускаемые потери на распространение  до границ ячейки [дБ]	139,9		v=r-s+t-u

Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта  на узел в км²/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика.

Исходя из вышеуказанных  ресурсов радиолинии, расстояние до границ ячейки R можно легко вычислить  по известной модели распространения, например, модели Окумура-Хата или модели Уолфиш-Икегами. Модель распространения описывает усредненный вариант распространения сигналов в указанной среде, и она позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах. Мы возьмем модель распространения Окумура-Хата для городской макроячейки с высотой антенны БС 30 м, высотой антенны МС 1,5 м и частоты несущей 1950 МГц:

L = 137,4 + 35,2 log₁₀(R) , (2.4.1)

где L - потери на трассе в дБ и R - расстояние в км. Для пригородных зон мы допускаем использование дополнительного коэффициента коррекции зоны 8 дБ и получаем потери на трассе в виде:

L = 129,4 + 35,2 log₁₀(R) (2.4.2)

Согласно уравнению (2.4.2) расстояние до границ ячейки при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с потерями на трассе 141,9 дБ в пригородной зоне, составит 23 км. Расстояние до границ ячейки при скорости передачи 144 Кбит/с внутри помещения составит 1,4 км. Определив расстояние до ячейки R, можно затем получить размеры участка (сайта), которые являются также функцией конфигурации разбиения на секторы. Для ячейки гексагональной формы, охватываемой ненаправленной антенной, зона обслуживания может быть аппроксимирована как 2,6R².

Т.о. размер ячейки полученный в п. 2.2.4. при гарантированной скорости передачи в 32 кбит/с, R= км вполне удовлетворяет по энергетическим параметрам системы. 

Зная радиус соты и допустимые потери на распространение, определим минимальную допустимую высоту подвеса антенны, решая уравнение Хата.

По уравнению Хата определяется максимальная дальность  связи обеспечиваемая с вероятностью 75% на границе зоны обслуживания:

R_omax = 10^{(Wдоп – C)/B} (км)

В= 44,9 – 6,55 ×h_MS

В= 44,9 – 6,55 ×6,3 = 4

R_omax = 10^{(133 – С)/4} = 6,48 (км)

Решая это уравнение  получим что С=129.8

С= 68,75+27,72 ℓg f – 13,82 ℓg h_бс–(1,1ℓg f – 0,7) ×h_MS

С= 68,75+27,72 ℓg 1950– 13,82 ℓg h_бс –(1,1ℓg1950 – 0,7) ×6,3 = 122

Отсюда h_бс=15 минимальная высота подвеса антенны при заданном радиусе соты.

2.4 Частотно-территориальное планирование

Основным этапом проектирования сетей подвижной радиосвязи и  абонентского доступа является этап частотно-территориального планирования, входе которого выбираются структура (конфигурация) сети, места размещения базовых станций, оцениваются вопросы  частотного лицензирования, рассчитывается возможность обеспечения охвата (покрытия) требуемой зоны обслуживания с заданным качеством связи, разрабатывается  частотный план распределения радиоканалов для базовых станций, выполняется  адаптация планов к условиям территориальных  и частотных ограничений проектируемой  зоны обслуживания, проверяются обеспечение внешней электромагнитной совместимости планируемой системы с РЭС других систем и возможность обеспечения требуемой емкости сети для обслуживания абонентской нагрузки с заданной интенсивностью потерь (отказов в обслуживании) и т. д.