Воинцев Г.А. Системы связи с подвижными объектами - файл n304.htm

n304.htm

6.3 Стандарт DECT

DECT - это технология радиодоступа с малой мощностью излучения, предназначенная для обеспечения высококачественной связи в СВЧ диапазоне; это цифровая сотовая технология с высокой канальной ёмкостью. Радиус соты достигает нескольких километров в зависимости от конфигурации системы и конкретных областей применения.

Стандарт DECT обеспечивает передачу телефонных сообщений, а также широкий диапазон услуг для передачи данных, включая ISDN. По желанию речь и данные могут быть зашифрованы.

Оборудование DECT может быть реализовано как в виде портативного телефона, так и в виде целой системы, обеспечивающей полный набор телефонных услуг для большого города.

Следует обратить внимание на различие между технологией доступа и системами подвижной радиосвязи (СПР) - такими, как NMT, TACS (Total Access Communication System - общедоступная система связи), GSM. В СПР мобильный телефон может обращаться только к той сети, которая является частью самой СПР. Стандарт DECT, являясь общей технологией доступа, обеспечивает возможность подключения к множеству различных локальных и глобальных сетей, которые не являются частью системы DECT. Все свойства и сервисные возможности самих локальных или глобальных сетей остаются доступными для абонентов. Стандарт DECT сохраняет пользователю все предоставляемые сетью услуги, добавляя возможность мобильности

Стандарт DECT отличается некоторыми особенностями, позволяющими выгодно его использовать операторами связи и абонентами. С точки зрения операторов:

оборудование DECT может работать совместно с установленными ранее системами в общем частотном диапазоне;

технология DECT является хорошим средством доступа для совместного использования различными сетями. Одно и то же абонентское устройство (АУ) может быть снабжено правами доступа к нескольким общим и частным сетям;

DECT поддерживает очень высокую плотность АУ (до 50 000 пользователей на 1 км ²);

системы DECT могут быть легко расширены для подключения новых пользователей, так как не требуется частотное планирование;

сеть радиодоступа DECT экономически выгодна для установки в небольшом регионе.

С точки зрения абонентов:

мобильность в течение разговора - пользователь может свободно перемещаться внутри зоны обслуживания;

защита от несанкционированного использования АУ (процедуры идентификации);

защита от подслушивания (кодирование);

превосходное качество речи (цифровая система).

Системы DECT могут быть внедрены как односотовые системы с одним абонентом и многосотовые системы с большим числом абонентов. Для односотовой системы типичной областью применения является жилая зона. Применение многосотовой системы более разнообразно. Это бизнес сети, сети общего пользования, сети радиодоступа в ближней зоне.

Область применения DECT в жилой зоне такая же, как и в обычной проводной телефонии с такими же характеристиками и требованиями. Простейшая система связи в жилой зоне может состоять из одного стационарного радиоблока (СР) и одного АУ. Более комплексная система может включать большее число АУ, средства внутренней связи и внутреннего вызова.

Бизнес сети характеризуются высокой плотностью одновременных звонков, большой площадью зоны обслуживания, сочетанием мобильных и стационарных АУ, возможностью роуминга внутри всей зоны покрытия.

В сетях общего пользования приёмопередатчик может являться собственностью частной организации и устанавливаться в местах возможного большого трафика: в торговых центрах, аэропортах, на железнодорожных станциях и так далее. Абоненты, пользующиеся услугами такой сети, должны иметь возможность принимать и делать звонки в зоне обслуживания системы, а получать счета за разговоры по месту жительства. Стационарный радиоблок DECT идеально подходит для применения на участке "конечная АТС - квартира пользователя". Последний, самый разветвлённый участок проводной сети заменяется системой радиодоступа в ближней зоне. Это даёт возможность быстро и эффективно разворачивать сети связи для новых пользователей.

Одним из основных требований к беспроводной телефонии является то, что качество речи должно быть таким же или даже лучше, чем у обычных проводных сетей. Высокое качество телефонных разговоров обеспечивается соблюдением Рекомендации G.726 МСЭ-Т (сектор по стандартизации телекоммуникаций в составе МСЭ) на речевые кодеки АКИДМ, а также на другие параметры для передачи речи, определённые стандартом ETS 300 175-8. DECT поддерживает передачу факсимильной информации и данных со скоростями до 28,8 кбит/с. Требуемое эхопоглощение обеспечивается применением в стационарном оборудовании специальных недорогих устройств. При этом не накладываются какие-либо ограничения на местные и общие телефонные сети (требование не накладывать ограничений на уже существующие сети является основным для всех систем радиодоступа).

Пакет речевого сообщения записывается в буферное запоминающее устройство и передаётся затем во временных интервалах полного TDMA-кадра со скоростью 1152 кбит/с. В каждом радиоканале передача сообщений осуществляется кадрами длительностью по 10 мс, содержащими 12 пар временных интервалов. Полный кадр делится на два временных интервала: интервал передачи от фиксированной к подвижной станции и интервал передачи от подвижной к фиксированной станции (рисунок 6.6). Синхронизация сети основана на периодическом повторении суперкадра, состоящего из 16 кадров.



Рисунок 6.6 - Структура кадра стандарта DECT

Длина временного интервала, предоставляемого абоненту для передачи в одном направлении, составляет 417 мкс. Передаваемый в нём пакет содержит 480 бит, из них:

32 бита используются для синхронизации (канал синхронизации SYN), которые включают 16 бит тактовой последовательности;

48 бит отводятся на канал сигнализации(SIGNAL);

20 бит (16 плюс 4) относятся к проверочным (CRC);

320 бит предназначены для передачи информации (I);

60 бит составляют защитный интервал.

Скорость передачи сообщений по информационному каналу составляет 32 кбит/с (320 бит/10 мс). Скорость передачи сигнала управления составляет 6,4 кбит/с (64 бит/10 мс). Общая скорость передачи в пакете равна 41,6 кбит/с (416 бит/10 мс). Использование динамического выбора каналов (ДВК), то есть выбора наилучшего из доступных радиоканалов, позволяет системам DECT эффективно сосуществовать с другими радиосистемами, работающими в том же частотном диапазоне. Каждое АУ имеет доступ ко всем радиоканалам (частотно-временным комбинациям). Во время установления соединения канал связи выбирается таким образом, чтобы оказать наименьшее влияние на все остальные существующие радиоканалы. Это значительно упрощает внедрение системы, так как не требуется частотное планирование. Возможность эффективного использования предоставленного спектра обеспечивается автоматическим разделением частотного диапазона между различными пользователями и службами.

Технология доступа, определённая стандартом DECT, - TDMA-TDD. Технические характеристики стандарта представлены в таблице 6.2. Каждое АУ не только обменивается информацией со своим стационарным радиоблоком (СР), но также постоянно отслеживает самый хороший по качеству (отношение сигнал-шум) канал.

Таблица 6.2 - Сводка основных технических характеристик стандарта DECT

Характеристика
Рабочая полоса частот, МГц	1880 – 1900
Полоса частотного канала, кГц	1728
Число частотных каналов	10
Метод множественного доступа	TDMA - TDD
Распределение частотных каналов	Динамическое
Метод кодирования речи	АДИКМ
Скорость передачи речевой информации, кбит/с	32
Скорость передачи информации в канале, кбит/с	416
Метод модуляции	GMSK
Средняя мощность передатчика АУ, мВт	10

Качество радиосвязи может ухудшаться вследствие воздействия помех и замираний сигнала в результате отражений от наземных объектов или из-за перемещения самого АУ. Источником радиопомех может служить и соседний СР, работающий в том же частотном диапазоне. Как только на радиоканал накладывается помеха, АУ запрашивает свой СР и автоматически выбирает наилучший канал связи из всех возможных. Переход с одного радиоканала на другой относится к внутрисотовым переключениям. Во время перемещения АУ от одного СР к другому электромагнитная напряжённость поля от первого СР уменьшается, в то время как от второго - увеличивается. Опознав другой СР с более сильным радиосигналом, АУ запрашивает разрешение на вхождение в связь со вторым СР. Смена СР в одной и той же беспроводной системе относится к межсотовому переключению. Названные выше переключения являются нормальными и не сказываются на качестве речи. Если же связь между СР и АУ неожиданно пропадает, то АУ переключается форсированно на любой другой доступный СР. Обычно форсированные переключения проявляются в виде щелчков и пропаданий речи.

Концепция динамического выбора каналов решает также и проблемы, связанные с медленными изменениями напряжённости поля. Но для радиосвязи характерны и быстрые флуктуации напряжённости из-за интерференции прямых и отражённых радиоволн. Для борьбы с этим явлением в системе DECT применяется алгоритм пространственного разнесения с автоматическим выбором антенн, который позволяет сохранить хорошее качество связи при значительном ослаблении сигнала, приходящего от одной из антенн.

Различные АУ могут иметь доступ к различным конфигурациям системы DECT. Однако наличие доступа не подразумевает того, что АУ может автоматически делать звонки во всех конфигурациях. Для защиты оператора связи от несанкционированного использования его сети существуют процедуры идентификации. Во время обращения к СР каждое АУ опрашивается с целью опознавания. Стационарный радиоблок посылает случайную последовательность цифр на АУ. По этой последовательности АУ должно подсчитать правильную контрольную сумму и подтвердить запрос на идентификацию. Детальное описание всего процесса идентификации можно найти в документах ETS 300 175-6.

Так как области применения DECT многообразны, естественно возникают вопросы о построении системы безопасности для управления доступом к различным сетям, а также для контроля оплаты счетов.

Эта система определена как:

возможные услуги безопасности;

механизмы безопасности, которые должны использоваться, чтобы обеспечить эти услуги;

параметры шифрования и кодовые ключи;

процедуры обеспечения безопасности.

Услуги и механизмы безопасности обеспечиваются:

идентификацией АУ;

конфиденциальностью данных;

идентификацией пользователя.

Идентификация АУ обеспечивается использованием шифровальных механизмов "запрос - ответ": СР посылает вызов, на который АУ возвращает отклик, являющийся результатом вычислений, производимых над вызывной посылкой и идентификационным ключом. Каждый ключевой код ассоциируется со своим АУ. Далее СР сравнивает ответ от АУ с ожидаемым значением и на основании совпадения или несовпадения результатов делает вывод об успешности процесса идентификации. В данном случае АУ опознается по знаниям о ключевом коде (рисунок 3.11).

Конфиденциальность данных достигается тем, что по соображениям безопасности и секретности передаваемая информация кодируется как для входящих, так и для исходящих звонков. Поскольку речь передаётся по открытому воздуху и в принципе уязвима к прослушиванию, стандарт DECT обеспечивает мощные механизмы кодирования, что исключает возможность подслушать телефонный разговор.



Рисунок 6.7 - Идентификация абонентского устройства

Идентификация абонента достигается применением персонального опознавательного ключа (К), который получается из персонального значения пользователя (ПЗП). Это значение вводится вручную всякий раз, когда задействована услуга идентификации. Для получения идентификационного ключа с помощью ключевой информации, содержащейся в АУ, и используется ПЗП.

Параметры шифрования (смотрите рисунок 6.7):

СВН1. Используется для обеспечения роуминга (передвижения) между сетями. Он позволяет делать опознавательные ключи доступными для сеанса связи во всех посещаемых DECT-сетях. Его длина 64 бита.

СВН2. Посылается от СР к АУ как часть опознавания АУ. Его длина 64 бита.

АУРЕЗ1. Посылается от АУ к СРкак часть опознавания АУ и сравнивается со значением СРРЕЗ1. Его длина 32 бита.

СРРЕЗ1. Сравнивается с АУРЕЗ1 в СР. Идентификация считается успешной, если оба значение эквивалентны. Его длина 32 бита.

В системе имеются три типа шифровальных ключей, необходимых для обеспечения свойств безопасности стандарта DECT:

Идентификационный ключ (К), который используется в процессах опознавания. Он имеет длину 128 бит и может быть получен из других ключей, относящихся к пользователю. Такие ключи могут быть определены для какой-нибудь специфической области применения DECT или для специальной службы опознавания.

Опознавательный ключ сеанса связи (КСС), который в случае роуминга может оказаться необходимым для обмена информацией между "домашней сетью" АУ и посещаемыми сетями. Для получения идентификационной информации не требуется каждый раз запрашивать "домашнюю сеть". Длина КСС 128 бит.

Ключ шифрования (КШ), значение которого используется как кодовая комбинация для процесса шифрования. Длина ключа 64 бита.

Преимущество включения DECT в ТфОП и ISDN - это тот факт, что системы DECT позволяют перейти от старой концепции "телефон каждой семье" к концепции "телефон каждому человеку", что означает коренные изменения в области связи в смысле использования инфраструктуры.

6.4 Система Tangara Wireless

Рассмотрим систему фиксированного абонентского радиодоступа Tangara RD (TANGARA Wireless) (рисунок 6.8). Система была разработана компанией SAT, одним из лидеров телекоммуникационной промышленности во Франции и во всем мире, в 1993 году. С тех пор, по мере расширения внедрения, система доукомплектовывается всё более новыми и совершенными электронными блоками, модернизируется программное обеспечение. Одной из последних модернизаций предусмотрен конвертер сигнализаций, специально для условий России.



Рисунок 6.8 - Общая структура системы TANGARA Wireless

TANGARA Wireless имеет первый в России сертификат на систему радиодоступа с подключением к сети ТфОП не только по аналоговым абонентским линиям, но и по цифровым трактам 2048 кбит/с.

Операторы испытывают наибольшие трудности с обеспечением телефонной связи в сельской местности и пригородах, где плотность абонентов обычно составляет 2 - 10 аб./км ². В этих случаях актуальны большой радиус действия системы в сочетании с возможностью организации небольших (до 500 абонентов) сетей. Система может применяться в различных конфигурациях в зависимости от плотности распределения абонентов. Предусмотрены конфигурации системы для применения в районах с высокой плотность абонентов (в пригородах и городах), а также в сельской местности с низкой плотность абонентов.

Контроллер базовых станций (ВSС - Base Station Controller), управляющий базовыми станциями (BS - Base Station) и абонентскими терминалами (RNT - Remote Network Terminal), обычно устанавливается в помещении АТС и подключается к ней через различные типы интерфейсов - по двухпроводным аналоговым линиям либо по цифровым каналам E1 (G.703).

Один контроллер способен обслуживать до 512 абонентов при подключении к ATC. Для увеличения емкости системы возможно объединение нескольких контроллеров, при этом может использоваться общая система управления. К каждому BSC подключаются до 30 шестиканальных, 48 четырёхканальных, 96 двухканальных BS или любая их комбинация. К достоинствам системы следует отнести широкие возможности программирования контроллера, которые позволяют реализовать в системе "нестандартные" функции (так называемый режим "интерком", охранная сигнализация и так далее).

BS обладает модульной структурой и обслуживает от двух до шести радиоканалов. В зависимости от абонентской нагрузки и допустимой вероятности потерь вызова каждая BS обеспечивает связь до 80 абонентов. Несколько BS могут объединяться в многосекторную BS(с целью увеличения числа обслуживаемых абонентов и расширения зоны радиопокрытия).

Соединение BSC с BS осуществляется по медным линиям (по трём парам при диаметре жилы 0,9 мм - на расстоянии до 11 км) без применения дополнительного каналообразующего или линейного оборудования. При необходимости соединение можно организовывать через радиорелейные линии, спутниковые системы и цифровые транспортные сети. Благодаря малому энергопотреблению BS возможно их дистанционное питание на больших расстояниях.

Абонентский терминал RNT представляет собой радиоблок небольшого размера, спроектированный специально для лёгкого настенного монтажа в помещениях абонентов или в кабинах таксофонов. К нему присоединяется компактная направленная или штыревая антенна. В зависимости от типов антенн и усилителей допустимое удаление RNT от BS составляет 5 - 12 км в условиях прямой видимости. Интерфейс RNT с телефонным аппаратом аналогичен абонентскому интерфейсу телефонной станции. К RNT могут подключаться телефонные аппараты любых конструкций, автоответчики, факсимильные аппараты, модемы.

Интерфейс предусматривает трансляцию сигналов"переполюсовки" и метрических сигналов 12 и 16 кГц для таксофонов. Без нагрузки RNT потребляет 450 мВт, что допускает длительное использование режима автономной работы, а также применение экономичных солнечных батарей. По заказу блок RNT комплектуется встроенной батареей резервного питания, достаточной для поддержания работы блока в течение пяти часов непрерывного разговора.

Рисунки 6.9 и 6.10 представляют конфигурацию системы для типичной сети беспроводного доступа, соответственно, в жилых городских и пригородных районах и сельской местности. Система максимально адаптирована именно к такому применению и экономически выгодна уже при наличии 200…300 абонентов.

Система позволяет пользоваться мобильными радиотрубками, поддерживающими стандарт CT2. Мобильные абоненты могут перемещаться в пределах одной BS, а также (после перерегистрации) в зоне действия других BS того же контроллера BSC. Использование в одной сети стационарных и мобильных терминалов резко расширяет возможности оператора по предоставлению абонентам дополнительных услуг.

Система централизованного сетевого управления обеспечивает контроль за всем оборудованием. С её помощью выполняются дистанционное конфигурирование сети с центрального пункта, учёт неисправностей, мониторинг ошибок в каналах связи, дистанционная загрузка программного обеспечения. Последнее особенно важно в сельской местности, где возможны частые перебои с энергообеспечением. Оборудование рассчитано на эксплуатацию персоналом, не имеющим специальной подготовки по техническому обслуживанию радиосредств. Оно обеспечивает быстрое развёртывание и расширение сети. Основываясь на опыте внедрения системы в разных странах мира, можно утверждать, что среднее время установки и пуска в эксплуатацию одной BS (включая подъём мачты и укрепление антенны) составляет около 6 часов, а RNT - около 2 часов.



Рисунок 6.9 - Структура сети доступа в городских или пригородных районах

Остановимся на особенностях системы Tangara RD, отличающих её от аналогичных систем абонентского радиодоступа (таблица 6.3). Другие системы работают в более высоком диапазоне частот, чем Tangara RD. Поскольку распространение радиоволн ухудшается с повышением частоты, для достижения той же дальности требуется значительно более высокая выходная мощность. Так как чувствительность приемников всех систем приблизительно одинакова и ограничена уровнем шумов в радиоканале, выходная мощность становится одним из определяющих факторов, влияющих на дальность связи. 

В системах с технологией TDD дальность связи принципиально ограничивается отношением величины защитного интервала (паузы между пакетами) к длине самого информационного пакета. Системам, в которых используется меньшая длина пакета, легче поддерживать защитный интервал, достаточный для обеспечения максимально возможной дальности. Реализация в стандарте DECT технологии TDMA-TDD привела к необходимости увеличения длины информационных пакетов до 10 мс на 12 каналов, что, в свою очередь, осложняет достижение даже десятикилометровой дальности связи. В системе Tangara RD используются пакеты длительностью 2 мс на 1 канал: дальность - до 12 км. Для системы Multigain Wireless (Tadiran), использующей метод доступа FH-CDMA, данная проблема менее значима.



Рисунок 6.10 - Структура сети беспроводного доступа в сельской местности, использующая радиорелейную или спутниковую систему передачи

Таблица 6.3 - Сравнительная характеристика различных технологий радиодоступа

Показатель	CT2 Tangara	DECT	CDMA IS-95	D-AMPS	MGW- Hopping
Диапазон частот, МГц	839 - 843* 864,0-868,2* 910-914*	1880-1900* 1900-1920	Tx: 869-894 Rx: 824-849	Tx: 824-849 Rx: 869-894	1428 - 1508 1850 - 1930 2400 - 2483 3420 - 3500
Шаг сетки частот, кГц	100	1728	1250	30	1000
Способ разделения каналов	FDMA/TDD	FDMA/TDD	CDMA/FDD	TDMA/FDD	FH- TDMA/TDD
Тип модуляции	GFSK	GSMK	QPSK	DQPSK	3-L-SR FSK
Число радиоканалов	40	10	10	832	10
Число телефонных каналов на один радиоканал	1	12	45 (61 QCELP)	3(10-15)	8
Эффективность  использования спектра	0,67 бит/Гц (10 каналов/ /МГц)	0,72 бит/Гц (6 каналов/ /МГц)	0,98 пакет/с (9 каналов/ /МГц)	1,62 бит/с (50 каналов/ /МГц)	0,87 бит/Гц (8 каналов/ /МГц)
Интерференция с излучением от домашних и  офисных радиотелефонов	Мало- вероятна	Вероятна	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует
Выходная мощность,Вт  - базовая станция - абонентский терминал	0,010   0,010	0,25(0,02**)   0,25(0,02**)	0,02   0,6-3,0	0,6   -	0,5   0,5
Дальность связи, км	12 (направлен- ные  антенны)	0,2-10,0 (направлен- ные антенны)	50	32	15 (направлен- ные антенны)
Распределение каналов по частоте	Динами- ческое	Динами- ческое	Фиксиро- ванное	Фиксиро- ванное	Динами- ческое
Кодирование речи	АДИКМ  32 кбит/с	АДИКМ  32 кбит/с	CELP 16 кбит/с, QCELP 7,2 кбит/с	VCELP 8 кбит/с	АДИКМ  32 кбит/с ИКМ, BRA
Шифрование (наличие  скремблера)	Нет	Есть	Есть	Есть	Нет
Максимальная скорость работы модема(факса) по радиоканалу, кбит/с	14,4	9,6	0,3 - 9,6	2,4	14,4
Задержка приёма-передачи для T, мс	2	10	80	40	2
Эхоподавление	Не требуется	Требуется	Требуется	Требуется	Требуется
Примечания:
* Оператору местной телефонной связи не требуется разрешение главгоссвязьнадзора на использование данного частного диапазона, а также лицензия на радиотелефонную связь;   ** Согласно приказу Министерства связи России упрощенные условия согласования с главгоссвязьнадзора действуют при входной мощности радиопередатчика до 10 мВт, что для стандарта DECT соответствует зонe радио охвата до 200 м.

Интересно сравнить чувствительность систем к параметрам радиоканала. Tangara RD имеет более узкую полосу рабочего канала(100 кГц), чем системы, основанные на технологии DECT (1,7 МГц). Соответственно, она менее критична к неравномерности затухания в рабочей полосе частот.

Система может работать в трёх диапазонах частот, в том числе в диапазоне 864,1 - 868,1 МГц, выделенном согласно приказу Минсвязи России № 18 от 24.02.96 года для систем стандарта СТ2. Поэтому регистрация оборудования радиодоступа, работающего в данном диапазоне, проходит по упрощённой процедуре. Домашние и офисные радиотелефоны, применяемые в России, как правило, не используют этот диапазон.

Как видно из таблицы 6.3, система Tangara RD использует спектр эффективнее, чем другие системы, при невысокой плотности абонентов. Однако при больших телефонных плотностях(свыше 1000 аб./км ²) предпочтительнее системы на базе стандарта DECT и система Multigain Wireless. Их преимущество существенно в крупных городах европейского типа. Но в таких случаях лучше сравнивать эффективность решения беспроводного доступа и традиционного проводного решения. В условиях России плотность абонентов свыше 1000 аб./км ² сейчас представляется маловероятной. Благодаря уменьшению выходной мощности передатчиков системы Tangara RD можно организовать удалённое питание базовых станций по электрическому кабелю, что особенно важно для территорий с нестабильным энергоснабжением, а также при необходимости быстрого развёртывания системы. Уменьшение выходной мощности абонентских позволяет увеличить время автономной работы и обеспечить без дополнительных затрат соответствие нормативам бесперебойной работы, принятым для сети общего пользования. Кроме того, малая мощность радиопередатчиков способствует внедрению таких систем, поскольку многие потенциальные пользователи не уверены в безвредности радиотелефонов большой мощности.

В системе Tangara RD, как и в других системах, указанных в таблице 6.3, используется метод DCA, что упрощает проектирование и наладку аппаратуры.

Во всех системах WLL применяется АДИКМ-кодирование в речевом канале. Это позволяет передавать речь с качеством, аналогичным качеству речи в проводных сетях, а также передавать данные на скорости до 14,4 кбит/с. Использование метода TDMA в других системах даёт возможность объединять тайм-слоты и передавать данные с более высокой скоростью. Tangara RD ориентирована, в первую очередь, на предоставление традиционных услуг телефонной связи. На рынке присутствует и существенно более эффективное специализированное оборудование, предназначенное для создания беспроводных сетей передачи данных.

На сегодняшний день Tangara RD особенно широко используется в странах, где кабельная сеть развита слабо или отсутствует вообще. Общее количество абонентов в мире, подключенных с помощью системы Tangara RD, превысило 200 тысяч. В России рассматриваются несколько десятков проектов внедрения данной системы.

7. Энергетический расчет радиоканала ССПО.

Согласно основному уравнению радиосвязи, уровень мощности принимаемого радиосигнала на входе приемника :

, дБВт (7.1)

Р_Пд – уровень мощности передатчика БС, дБВт;

Ga₁, Ga₂ – коэффициент усиления передающей и приемной антенны соответственно, дБ;

а₁, а₂ – потери в фидере передающей и приемной антенны соответственно, дБ;

– уровень ослабления свободного пространства, дБ;

– протяженность трассы, м;

– рабочая длина волны, м;

– средний уровень дополнительных потерь сигнала на реальной радиотрассе, дБ.

Рельеф местности и климатические условия существенно влияет на уровень сигнала. В ССПО, где БС должна обеспечить связь на территории соты часто применяют статистический метод, при котором определяют уровень мощности сигнала для заданного процента времени t% (50% и более времени месяца) и точек приема b% (в 50% и более точек приема, находящихся на данном расстоянии от передающей станции). Тогда для учёта случайных условий экранирования, рефракции, дифракции и многолучевости, обуславливающих медленные и быстрые замирания сигнала, необходимо определить запас на замирания М для обеспечения радиосвязи с требуемой надежностью S (S ≥ 0.5):

, дБВт (7.2)

7.1 Оценка потерь на радиотрассе по методу Окамуры

Модель Окамуры включает понятие “квазигладкая” местность, т.е территория протяженностью в несколько километров, на которой средняя высота неровностей не превышает 20 метров.

В модели приняты базовые значения высоты антенны МС м и эффективной высоты антенны БС м, причем последняя определяется над уровнем квазигладкой поверхности. Для квазигладкой местности уровень потерь



, (7.3)

где – дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное значение), определенное для квазигладкого городского района при базовых высотах антенн БС и МС;

– коэффициент “высота - усиление антенны БС”, учитывающий, что высота антенны БС может отличаться от значения 200м;

– коэффициент “высота-усиление антенны МС”, учитывающий влияние реальной высоты антенны МС.

Все величины Окамура получил экспериментально, и они представлены в виде графиков, дополнительное ослабление сигнала в городе также определяется графически на рис.7.1.

Экспериментально установлено, что влияние высоты антенны БС зависит от расстояния между МС и БС и практически не зависит от частоты в диапазоне 200…2000 МГц. При км мощность принимаемого сигнала изменяется пропорционально квадрату высоты антенны, а при км пропорционально кубу высоты, так что

при км (7.4)

при км (7.5)



Рис.7.1. Медианное ослабление сигнала на городских трассах протяженностью r

Экспериментально установлено, что влияние высоты антенны МС не зависит от протяженности трассы, поскольку эти антенны расположены ниже уровня городской застройки. Кроме того, при h₂ < 3м влияние антенны МС одинаково на всех частотах и не зависит от характера застройки. Экспериментальные данные позволяют записать:

(7.6)

При установке антенны МС выше трех метров значение коэффициента H₂(h₂,f) становится зависимым от характера застройки. При >3 м lля среднего города этот коэффициент зависит от частоты:

при МГц (7.7)

при МГц. (7.8)

Модель Окамуры позволяет для местности, которая не относится к квазигладкой, введением поправочных коэффициентов рассчитывать ожидаемый уровень потерь с учетом характера местности:

, (7.9)

где - поправочный коэффициент для пригородной, сельской и открытой местности;

- поправочный коэффициент для холмистой местности.

- поправочный коэффициент для трассы с наклоном;

, - поправочный коэффициент для участка “земля-море”.

В пригородной, сельской и открытой местности потери сигнала при распространении меньше, чем в городе, поскольку в ней ниже здания и меньше искусственных препятствий. Как установил Окамура, эти потери уменьшаются с ростом частоты (рис. 7.2).



Рисунок 7.2 – Зависимость поправочного коэффициента k₁ для: 1 – открытого пространства, 2 – квазиоткрытого пространства, 3 – пригорода.

При распространении сигнала над холмистой поверхностью потери распространения увеличиваются по сравнению со случаем квазигладкой местности. Значение (рис. 7.3) зависит от - средней высоты неровностей, которая может быть определена как разность между высотами h (90%) и h (10%). Здесь h (90%) и h (10%) – значения высот местности на трассе протяженностью около 10 км, превышаемые в 90% и 10% точек профиля соответственно. Значения определяют по табл. 7.1, причем условие квазигладкой местности нарушается при м.

Таблица 7.1. Холмистость местности

Тип местности	, м
Равнинная	20…40
Холмистая равнина	40…80
Сильнопересеченная	80…150
Гористая	150…300

Под трассами с наклоном подразумевают трассы, на которых рельеф плавно понижается (или повышается) на расстоянии 5 км и более. Для нее определяют средний угол наклона (рис. 7.4а). Угол считается отрицательным, если МС расположена на нижнем участке трассы (рис. 7.4б). В этом случае дополнительный рост или потери мощности сигнала при его распространении нужно учитывать с помощью коэффициента k₃(j ) (рис. 7.5.).

Мощность сигнала возрастает, если трасса пересекает водную поверхность, поправочный коэффициент , учитывающий неоднородности рельефа типа “суша - вода”, зависит от соотношения , где - длина участка с водой, - общая длина между БС и MS (рисунок 7.6). Кривая 1 на рис.6 определяет случай, когда водная поверхность ближе к приемной станции, кривая 2 – к передающей.



Рисунок 7.3 – зависимость поправочного коэффициента от среднего колебания высот местности: а) МГц, б) МГц.



Рисунок 7.4(а, б). К определению угла наклона местности



Рисунок 7.5 – зависимость поправочного коэффициента k₃ от угла j (+j - подъем местности; - j - скат местности): 1 – при км; 2 – при км, где – расстояние от начала подъема (ската) до места нахождения ПО



Рисунок7.6. Коэффициент “земля-море”

7.2 Оценка потерь на радиотрассе по методу Хата.

В последнее время все большее распространение при расчетах среднего уровня потерь получила модель Окамуры-Хата. Эмпирические зависимости, используемые в модели Окамуры в виде графиков, в этой модели представлены в виде аппроксимирующих их формул. Она находит свое применение при изменении значений параметров в пределах, указанных в таблице 7.2

Таблица 7.2 – Области применения модели Окамуры-Хата

Параметр	Область применения модели Окамуры-Хата
	Основная	Расширенная
Рабочая частота, МГц	150…1500	совпадает с основной
Протяженность трассы, км	1…20	до 80
Высота антенны БС, м	30…200	1.5…400
Высота антенны АС, м	1…10	совпадает с основной

В рамках этой модели средний уровень общих потерь , дБ, (потери рассеивания в свободном пространстве и дополнительные потери реальной радиотрассы) при распространении радиоволн над квазигладким городом определяется следующим образом:

,

где – частота излучения, МГц;

– расстояние между БС и АС, км;

– высота антенны БС, м;

– высота антенны АС, м;

– поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны АС в зависимости от размеров города, дБ:

для небольших и средних городов:

для крупного города

, при МГц.

Потери сигнала при распространении в пригороде:

,

а на открытой (сельской) местности:

,

где – потери распространения в городских районах.

7.3 Оценка запаса на замирания.

Принимаемый в точке приёма сигнал одновременно подвержен как быстрым, так и медленным замираниям, каждое из которых подчиняется своему закону распределения вероятностей случайной величины (соответственно, Рэлея и логарифмически-нормальный). Совместный закон распределения вероятностей сигнала в условиях быстрых и медленных замираний аппроксимируется Гауссовским законом распределения с обощенным значением отклонения:



где – стандартное отклонение уровня сигнала в условиях быстрых замираний (на рассматриваемых расстояниях принимается равным 7,5 дБ);

– стандартное отклонение сигнала в условиях медленных замираний (512 дБ в зависимости от рельефа местности, примем 10 дБ).

Вероятность S того, что при приёме уровень сигнала будет выше некоего порогового значения, называется надежностью радиосвязи и находится как интеграл от функции распределения плотности вероятности случайной величины z :



где и - нормированные значения действующего и порогового уровней сигнала.

Таблица 7.5 Значения нормированного уровня сигнала при заданной надежности радиосвязи.

S	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.95	0.99
Z	0	0.253	0.254	0.842	1.282	1.645	2.326

Тогда запас на замирания сигнала для заданной надежности радиосвязи :

, дБ

7.4 Чувствительность приемника

Чувствительность приемной установки характеризует ее возможность принимать слабые радиосигналы на фоне помех естественного и индустриального характера с заданным качеством. Для оценки чувствительности используют минимально допустимое значение напряженности поля радиосигнала в точке размещения антенны , либо минимальное допустимое значение мощности радиосигнала на входе приемника .

Установим соотношение между этими параметрами при следующих допущениях: приемная антенна МС – диполь; антенна и входная часть приемника согласованы; сопротивление входной цепи приемника Ом.

На антенне наводится напряжение



где Е - напряженность поля радиосигнала, В/м.

При согласовании сопротивлений антенны и входной цепи приемника мощность сигнала на входе приемника



или



Уровень мощности сигнала на входе приемника, выраженный в децибелах по отношению к 1 мВт,



где - напряженность поля, мкВ/м;

дБ - коэффициент, учитывающий изменение размерности мощности (переход от Вт к мВт);

дБ - коэффициент, учитывающий изменение размерности напряженности поля (переход от В/м к мкВ/м).

дБ.

Подставив указанные численные значения, получим, что уровень мощности, дБм, определяется следующим выражением:



где f- несущая частота, МГц.

Т.к. минимальное отношение сигнал-шум на входе приемника

, дБ,

где - уровень мощности шумов естественного и индустриального характера, дБм, приведенной ко входу приемника;

- запас на неидеальность аппаратуры ( 5 – 10 дБ ),

то чувствительность приемника равна:

, дБм

, дБмкВ/м

7.5 Естественные и индустриальные шумы

На входе приемного устройства МС действуют атмосферные, собственные тепловые и индустриальные шумы. Полагают, что такие внешние атмосферные помехи в пределах шумовой полосы приемника имеют равномерный спектр, и их оценивают с помощью собственного коэффициента шума.

Мощность тепловых шумов приемной установки, пересчитанных ко входу приемника,



где - коэффициент шума приемника;

- постоянная Больцмана;

- температура входной цепи, К;

- эффективная ширина шумовой полосы приемника, Гц.

Уровень мощности теплового шума



Полагая, что

, дБ

и

дБм/Гц при К

запишем для уровня мощности теплового шума при указанных численных значений:



где - значение П, выраженное в килогерцах.

Типичное значение коэффициента шума приемника дБ для диапазона УВЧ.

Индустриальные шумы – это радиоизлучения от систем зажигания автомобилей, промышленного оборудования, шумовые излучения высоковольтных линий и др. В рассматриваемых диапазонах частот преобладают шумы от систем зажигания автомобилей. Для шумов индустриального происхождения коэффициент шума может быть найден по графикам на рис. 7.7. в зависимости от местности:

для деловой части города (с высокой плотностью застройки) и высокими зданиями – график А;

жилой части (с меньшей плотностью застройки и менее высокими зданиями) – В;

в сельской местности – С.

Всем трем местностям соответствует одинаковый наклон графиков примерно 28 дБ/дек. Расстояние между соседними кривыми составляет 6 дБ.

На рис.7. 8. представлена зависимость усредненного значения коэффициента шума, создаваемого системами зажигания (n_ТА), в зависимости от плотности автомобильного трафика (ПАТ), измеренной числом транспортных единиц в час (ТЕ/ч). Кривые получены для следующих значений несущей частоты; 1) 10 МГц; 2) 20 МГц; 3) 48 МГц; 4) 100 МГц; 5) 700-800 МГц.



Рисунок 7.7 - К оценке индустриальных шумов



Рисунок 7.8 К оценке шумов от ПАТ

Принимая во внимание, что шумы от независимых источников суммируются “по мощности”, запишем результирующий коэффициент шума:

, дБ

В табл.7.6 приведены n_Т, вычисленные с учетом возможных уровней индустриальных шумов для диапазона частот УВЧ.

Таблица 7.6 Значения коэффициента шума

nТ2, дБ	5	6	7	8	9	примечание
	3,16	3,98	5,01	6,3	7,94	nТ1 = 9 дБ; = 7,94
nТ, дБ	10,45	10,76	11,12	11,53	12

Приняв результирующий коэффициент шума дБ, можно вычислить уровень мощности шумов на входе приемника - , дБм.

7.6 Интерференционные помехи на совпадающих частотах

Рассматриваемые помехи попадают на вход приемника МС от соседних БС, использующих совпадающие частотные каналы. На рис. 7.9 приведен фрагмент частотно – территориального плана (ЧТП) с использованием N = 7 частотных групп каналов. Цифрами 1…7 обозначены частотные группы, используемые в радиосетях (сотах). Рассматриваем воздействие сигнала и интерференционных помех на МС, расположенные в центральной соте. Помехи создают БС, обозначенные М1…М6. Наиболее неблагоприятный случай соответствует минимальному уровню принимаемого сигнала, т.е. положению МС на границы соты (обозначенного жирной точкой). На рис. 7.10 обозначим местоположение полезной БС - точка О, МС – точка А и местоположение мешающих станций М1…М6. Рассматриваем однородную модель ЧТП при всенаправленных антеннах БС. Для нее расстояние между любыми соседними БС равно R₀ , а между любыми соседними БС с одинаковой частотой равно: ,

Рисунок 7.9 Фрагмент частотно-территориального плана.



Рисунок 7.10 Упрощенный фрагмент частотно-территориального плана

Длины отрезков М1-О…М6-О при будем считать одинаковыми и равными . Радиус внутренней окружности ОА – радиус соты .

Мощности сигналов, приходящих на МС, представим в виде:

, дБВт,

приняв для полезного сигнала и для мешающего сигнала. Если энергетические параметры БС в сети одинаковы, то отношение (сигнал/интерференция), дБ, мощности полезного сигнала к мощности мешающего :



При нескольких мешающих сигналах (в нашем случае ) на МС воздействует суммарная помеха, мощность которой равна сумме мощностей отдельных сигналов, тогда отношение на входе приемника МС

,

где – число мешающих сигналов.

Эффективным способом повышения отношения сигнал-интерференция является применение секторных антенн. Фрагменты ЧТП при с использованием секторных антенн с шириной ДНА и показаны на рис. 7.11 и 7.12. Секторы сот, в которых использованы одинаковые частоты, обозначены жирными линиями. При осталось два мешающих сигнала. Для варианта остался только один мешающий сигнал.



Рисунок 7.11 Фрагмент ЧТП при с использованием секторных антенн с шириной ДНА .



Рисунок 7.12 Фрагмент ЧТП при с использованием секторных антенн с шириной ДНА .

В системах подвижной связи на БС к одной антенне может быть подключено до 16 канальных приемопередатчиков. Во избежание взаимных помех не допускается работа передатчиков ближайших каналов через общую антенну БС.

Как правило, для каждого стандарта рекомендуется наименьший частотный разнос между соседними каналами , где - целое число; - ширина полосы частот одного канала. Например, для NMT-450 , кГц, для GSM , = 600 кГц; для DAMPS кГц и при необходимости может быть уменьшена до 150 кГц (до 90 кГц при тщательном ЧТП). При таких значениях в общих устройствах сложения (разделения) сигналов передатчиков (приемников) обеспечивается необходимая развязка по соседнему каналу.

7.7 Расчет зоны радиопокрытия БС.

Зона радиопокрытия БС - это территории вокруг нее, в пределах которой на входе МС обеспечивается уровень мощности полезного сигнала не менее чувствительности их приемников и превышающий уровень мощности помех от других БС на величину защитного отношения по радиочастоте. Т.е. в любой точке зоны радиопокрытия выполняются энергетические условия качественного радиоприема с заданной надежностью радиоканала :





Контур зоны строят по граничным точкам приема, находящимся на максимально-допустимом расстоянии от БС в нескольких азимутальных направлениях, в которых точно выполняются указанные выше соотношения. При одинаковых условиях распространения радиоволн на всей территории, равномерном размещении и однородных технических параметрах мешающих БС контур зоны радиопокрытия имеет форму окружности радиусом .

В реальных условиях зона радиопокрытия имеет сложную неидеальную форму.

Защитное отношение по радиочастоте зависит от способа обработки передаваемых сообщений, кодирования и модуляции в радиоканале. Так, в системах аналоговых стандартов NMT-450 (900), AMPS дБ, в цифровом стандарте транкинговой системы TETRA дБ, а для системы GSM установлено дБ. Применение технологии шумоподобных сигналов и метода кодового разделения (по форме сигнала) в системе CDMA позволяет обеспечить беспомеховую работу при дБ, т.е. при уровне помех, превышающих мощность полезного сигнала.

Для решения проблем обеспечения заданной зоны радиопокрытия в условиях наличия шумов и сильных радиопомех применяют ряд методов. Причем некоторые из них взаимно не совместимы, поскольку, увеличивая отношение сигнал - интерференция, снижают отношение сигнал - шум.

Методы для увеличения площади покрытия включают типовые методы увеличения уровня сигнала, излучаемого на БС: увеличение мощности передатчика, применение направленных антенн с повышенным коэффициентом усиления, увеличение высоты антенн. Это также типовые методы снижения собственных шумов приемной установки: использование приёмников с меньшим коэффициентом шума и с меньшим значением порогового уровня сигнала. Наконец, это специальные меры: применение разнесенного приёма, тщательный выбор места расположения БС, формирование специальной ДНА, использование в зонах затенения ретрансляторов - повторителей и пассивных ретрансляторов.

Проблема интерференции решается путём уменьшения уровней мешающих сигналов. Наиболее эффективные методы уменьшения помех на совпадающих частотах:

а) применение секционированных антенн;

б) увеличения расстояния между взаимодействующими БС

Однако, увеличение связано с увеличением числа требуемых частотных каналов, что сопровождается снижением частотной эффективности.

Важную роль в решении проблемы интерференции играет правильно разработанный ЧТП. Он должен обеспечить достаточный частотный разнос между соседними каналами в соте и между ближайшими - в соседних сотах. Перспективными являются адаптивные ЧТП, которые позволяют учитывать изменение ситуации во времени, а также гибко предоставлять каналы разного качества каждой МС.

Столь же важную роль играет выбор и формирование ДНА. В реальных условиях в каждой соте необходимый уровень излучаемого сигнала зависит от направления излучения. В некоторых направлениях необходим сильный сигнал, в других - сигнал просто не нужен. Сформировать соответствующий характер излучения можно с помощью антенн со специальной ДНА. Часто возникает задача сохранить энергию сигнала внутри небольшой территории, например, вдоль дороги. В этом случае применяют такой способ, как поворот ДНА в вертикальной плоскости. Примером может служить зонтичная антенна.

Наконец, применяются типовые методы снижения уровней сигналов интерференции путем уменьшения энергетических параметров: уменьшение мощности передатчика и снижение высоты антенны. Однако, при этом уменьшается территория покрытия. Такие способы приемлемы там, где решению проблемы интерференции отдается приоритет по отношению к проблеме покрытия территории.

Правильный выбор места расположения БС позволяет использовать характер местности для того, чтобы уменьшить влияние мешающих сигналов, сохранив при этом необходимую территорию обслуживания.

8. Сотовая связь как система массового обслуживания

Рассматривая в предшествующем изложении системы сотовой связи, в частности сопоставляя разные методы множественного доступа и обсуждая пути повышения емкости, мы использовали в качестве характеристики, связанной с емкостью системы, число каналов. Очевидно, однако, что создание достаточного числа каналов является не самоцелью, а лишь средством для обеспечения связью нужного числа имеющихся или потенциальных пользователей. Столь же очевидно, что, имея, например, физических каналов на ячейку, мы, безусловно, сможем обеспечить в этой ячейке связью абонентов. Но этого слишком мало: даже при 7-ячеечном кластере, как ясно из уже рассмотренного нами материала, число физических каналов на ячейку практически не может превышать в настоящее время величины порядка 200, а часто оказывается и гораздо меньшим - порядка 50...70 или даже 20...30. Ясно также, что ограничивать число обслуживаемых абонентов числом каналов явно нерационально, поскольку маловероятно, чтобы все абоненты захотели воспользоваться связью одновременно. Следовательно, при каналах можно обслуживать более абонентов, хотя, разумеется, в некоторых случаях абоненты в ответ на вызов будут получать отказ, и тем чаще, чем больше число абонентов по сравнению с числом каналов. Таким образом, мы оказываемся перед вопросом, который можно сформулировать следующим образом: сколько абонентов можно обслужить в ячейке с каналами при заданной вероятности отказа? Или наоборот: сколько нужно каналов для обслуживания заданного числа абонентов при определенной вероятности отказа? Эти вопросы мы и рассмотрим в настоящем разделе, основываясь на методах расчета систем массового обслуживания.

Здесь уместно отметить, что система сотовой связи, как и любая система телефонной связи, является типичным примером системы массового обслуживания - со случайным потоком заявок (вызовов), случайной продолжительностью их обслуживания (сеансов связи) и конечным числом каналов обслуживания (физических каналов). Более того: система телефонной связи исторически была первым примером системы массового обслуживания, точнее - тем первым практическим поводом, с которого началось развитие теории систем массового обслуживания.

Рассмотрение сформулированных выше вопросов мы проведем в такой последовательности: сначала приведем исходные определения и допущения, затем рассмотрим основные модели системы, остановившись подробнее на характеристиках обычно используемой в практике модели системы с отказами (модели Эрланга В ), и закончим изложением методики расчета с примером.

Начнем с основных определений и обычно используемых допущений. Наиболее общей характеристикой случайного потока вызовов является средняя частота поступления вызовов X, измеряемая числом вызовов в единицу времени - например, X выз/ч.

Аналогичным образом вводится средняя продолжительность обслуживания одного вызова (средняя продолжительность разговора) Г, измеряемая в единицах времени. Произведение указанных величин дает средний трафик (интенсивность трафика, интенсивность нагрузки, поток нагрузки), измеряемый в эрлангах - в честь датского ученого А.К.Эрланга (1878 - 1929 гг.) - первого ученого в области теории телетрафика. Например, если выз/ч, ч, то трафик эрл. Для измерения и могут использоваться любые единицы времени, но, во избежание недоразумений, удобнее, если в обоих случаях единица времени одна и та же. Характеристики нагрузки - среднюю частоту поступления вызовов , трафик - обычно оценивают для часа пик, т.е. для часового интервала в период наибольшей нагрузки системы связи.

При оценках емкости систем сотовой связи обычно используется модель Эрланга В (модель системы с отказами). Некоторым оправданием к тому может служить то обстоятельство, что при малых вероятностях отказа модели Эрланга Б и С дают достаточно близкие результаты . Заметим попутно, что, при сравнительно небольшое возрастание трафика приводит к резкому росту вероятности отказа, т.е. к существенному ухудшению качества обслуживания. Поэтому расчет емкости системы обычно производится для значений (вероятности отказа, или вероятности блокирования вызова) в пределах 0,01...0,05.

Формула, определяющая вероятность блокирования вызова в системе с отказами, несколько громоздка для непосредственного применения. На практике обычно пользуются ее представлением в виде таблицы . Пример табулированного представления этой формулы дает табл. 8.1. Опираясь на данные этой таблицы, отметим, что с увеличением числа каналов трафик растет быстрее, чем число каналов, особенно при числе каналов менее 30...40. Поэтому в рационально построенной системе сотовой связи должно быть во всяком случае не менее 30 каналов на ячейку.

Таблица 8.1 Модель Эрланга В (система с отказами)

Число каналов N		Вероятность отказа Рв
	0,002	0,01	0,02	0,05	0,10
		Трафик (эрланг)
1	0,002	0,01	0,02	0,05	0,11
2	0,07	0,15	0,22	0,38	0,60
5	0,90	1,36	1,66	2,22	2,88
10	3,4	4,5	5,1	6,2	7,5
20	10,1	12,0	13,2	15,2	17,6
30	17,6	20,3	21,9	24,8	28,1
40	25,6	29,0	31,0	34,6	38,8
50	33,9	37,9	40,3	44,5	49,6
100	77,5	84,1	88,0	95,2	104,1
150	122,9	131,6	136,8	146,7	159,1
200	169,2	179,7	186,2	198,5	214,3

Если мы хотим обеспечить вероятность отказа 0,01, то в соответствии с табл. 8.1 может быть обслужен трафик 20,3 эрланга на ячейку. Если в час пик каждый абонент делает в среднем один вызов в час и средняя продолжительность разговора составляет 2 мин, или ч, то трафик на одного абонента составляет 1/30 эрл, и, следовательно, в каждой ячейке может быть обслужено абонентов а во всей системе, состоящей из 70 ячеек, абонентов.

---

назад