Основные теоретические сведения

Практическая работа №1

• ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЗАДАЧАХ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

•

Цель работы

Целью работы является ознакомление со структурой и принципом работы ГИС.

Основные теоретические сведения

Геоинформационные системы (ГИС) – это информационные cистемы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно координированных данных (пространственных данных). ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадратомических и иных). ГИС поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением. [1].

На сегодняшний день геоинформационные технологии, представляя собой совокупность программно-аппаратных средств для моделирования и анализа пространственных (географических) данных, являются эффективным инструментом оптимизации структурно-топологических параметров сетей сотовой радиосвязи [2]. На рис. 1.1 изображены наиболее актуальные на сегодняшний день вектора развития современных ГИС-технологии.

Рис 1.1. Развитие ГИС-технологии

В рамках решения задачи планирования сети сотовой радиосвязи особый интерес представляют специальные ГИС, состоящие в общем случае из программного и информационного компонентов. Программный компонент содержит сервисные и расчетные программы для ввода пространственных и описательных данных, их обработки и вывода результатов. В свою очередь, информационный компонент включает цифровую карту местности и объектно-ориентированную базу данных, содержащую сведения по основным всем аспектам в проектируемой сети радиосвязи. Цифровая карта местности, с точки зрения цифровой картографии, является цифровым логико-математическим описанием объектов земной поверхности и отношений между ними [3,4]. Логико-математическое описание сформировано с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке (системе разделения карты на отдельные листы), системе координат и высот. Цифровая карта представляет собой цифровые данные, описывающие определенный участок местности и представляющие собой совокупность объектов, расположенных в пределах этого участка. Все объекты, принадлежащие одной карте, обрабатываются, хранятся и отображаются совместно.

Перечисленные выше функциональные компоненты специальных ГИС позволяют производить оптимизацию сети с учетом реальных пространственно-распределенных параметров среды распространения [2]. ГИС технологии нашли широкое применения в системах автоматизированного проектирования (САПР) подвижной и фиксированной радиосвязи. Учет особенностей рельефа местности, планов жилой застройки, наличия водоемов, лесных массивов и параметров оборудования базовых станций (БС) позволяет определить:

• зоны покрытия (ЗП) БС, где уровень радиосигнала не ниже заданного, но при этом не гарантируется возможность радиосвязи во всей зоне покрытия;

• зоны покрытия по связи (ЗПС) БС, на которых выполняются требования по качеству связи;

• зоны обслуживания (ЗО) БС по заданному уровню поля на их границе с контролем возможности обеспечения радиосвязи в пределах зоны;

• зоны взаимных помех (ЗВП) по основному и побочным каналам приема, определяемых наложением ЗП на ЗО базовых станций, где отношение сигнала к помехе меньше защитного соотношения [5,6].

Таким образом, решение задач планирования сетей подвижной радиосвязи осуществляется на основе прогнозирования возможных зон обслуживания и взаимных помех БС сети.

Под прогнозом понимается вероятностное суждение, сделанное на основе специальных расчетов. При этом с целью уменьшения пространственной неопределенности прогноза используются не конкретные местоположения подвижных станций в зоне ответственности сети, а элементы пространственного разрешения территории, называемые элементарными площадками пространственного разрешения (ЭППР) зоны покрытия сетей подвижной связи. Для полевых условий размеры таких ЭППР как правило оказываются больше, чем для городских условий, поскольку в последнем случае условия затенения изменяются более резко.

ЭППР характеризуются определенными статистическими характеристиками медленных и быстрых замираний сигнала на входе радиоприемника мобильных станций. Зона покрытия базовой станции прогнозируется как совокупность ЭППР с заданными параметрами. Прогноз же зоны покрытия базовой станции по связи определяется как вероятностное суждение о выполнении требований к связи в каждой ЭППР [6].

ГИС могут работать с четырьмя существенно отличающимися типами данных – векторными, растровыми, матричными и комбинированными.

В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков хранятся в виде замкнутого набора координат. Все объекты местности на векторных цифровых картах делятся на следующие типы [1]:

• точечные масштабируемые;

• точечные не масштабируемые;

• линейные;

• площадные.

Следует заметить, что при масштабировании векторных цифровых карт качество отображаемого изображения не ухудшается. Векторный формат позволяет реализовать генерализацию объектов на карте, т.е. при изменении масштаба отображения карты количество видимых объектов тоже меняется.

Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (площадок), оно подобно отсканированной фотографии. Как правило, растровая форма цифровой картографической информации является исходным материалом для создания векторных цифровых карт.

В базах данных, составляющих основу матричных цифровых карт, используется следующий способ описания поверхности. Оцифровка рельефа и типов подстилающей поверхности (водные объекты, леса, застройка и т. п.) производится элементарными площадками пространственного разрешения NxN, где N может измеряться в метрах или угловых секундах. Сбор информации для таких карт отличается высокой трудоемкостью, особую проблему составляет приведение полученных данных к заданному виду. В связи с этим, в современных условиях матричные карты не создаются непосредственно из исходного картографического материала, а формируются из векторных карт специальными конверторами. Главное достоинств матричных карт – простота и высокая скорость обработки данных.

Комбинированные форматы используют с целью наиболее эффективного использования ГИС технологий в планировании сетей подвижной связи представления картографической и пользовательской информации. Как правило, векторные и растровые карты используют для отображения местности и топологической структуры сети подвижной связи. Матричные карты готовятся заблаговременно перед началом планирования сетей подвижной связи и используются исключительно для выполнения расчетов потерь распространения радиоволн [2].

Один из основных принципов создания ГИС подразумевает разделение содержания картографической базы на информационные слои. Слоем называется графический уровень представления данных таблицы в окне карты. Такой подход к созданию и использованию ГИС позволяет учитывать конкретные условия различных потребителей, предоставляя возможность заказывать необходимые слои информации и работать с ними. Произвольное комбинирование слоев позволяет удовлетворить требования самых разнообразных потребителей, а также ускорить широкое внедрение цифровых карт. Самым верхним в окне карты всегда является «косметический» слой, данные которого находятся в специальной временной таблице.

Геоинформационная база данных может содержать следующие слои:

• данные о БС (координаты и характеристики);

• рельеф местности (рекомендуемый шаг изолиний 5–20 м);

• данные по типам застройки (городская, пригородная и сельская – дома или кварталы);

• водные объекты (моря, озера и реки);

• лесные массивы (тип леса, плотность и высота деревьев);

• данные почв;

• описание зон рефракции и субрефракции;

• дороги и спецмагистрали (ЛЭП, линии связи и т. п.);

• прочие объекты и обозначения.

Данные о высоте представляются в виде изолиний равных высот, которые в базе данных хранятся с помощью полилиний. Полилинии состоят из прямых отрезков. Последняя точка предыдущего отрезка является первой точкой следующего и называется узлом. Координаты узлов заносятся как объектное представление в таблицу. Точки высот хранятся в виде точечных объектов, характеризуемых только координатной парой X, Y. Точечные объекты на карте можно обозначать символом (например, кружочком, звездочкой или квадратиком).

Слой, содержащий информацию о рельефе местности, удобно представлять как тематическую карту, которая использует разные графические стили (такие, как цвет или штриховка) для выделения отдельных уровней высот. Для удобства визуального восприятия информации о рельефе местности удобно использовать трехмерное графическое представление. Детерминированные методы оценки затухания сигнала требуют построения профиля трассы. Точность расчета затухания сигнала на трассе зависит от метода расчета и точности задания исходных данных. Для автоматизации расчетов целесообразно использовать геоинформационные системы на основе цифровых карт местности [5].

Номенклатура карт – система нумерации и обозначения отдельных листов (табл. 1.1). Каждый лист ограничен рамкой. Сторонами рамок листов топографических карт служат параллели и меридианы.

Таблица 1.1

Масштаб карты	Размеры листов карты в градусной мере	Типовая запись номенклатуры
по широте	по долготе
1:1000 000	4°	6°	N–37
1:500 000	2°	3°	N–37–Б
1:200 000	40'	1°	N–37–XVI
1:100 000	20'	30'	N–37–56
1:50 000	10'	15'	N–37–56–A
1:25 000	5'	7' 30"	N–37–56–A–6

В основу номенклатуры топографических карт РФ положена карта масштаба 1 : 1 000 000. Вся поверхность Земли делится параллелями на ряды (через 4°), а меридианами – на колонны (через 6°); стороны образовавшихся трапеций служат границами листов карты масштаба 1: 1000 000. Ряды обозначаются заглавными латинскими буквами от А до V, начиная от экватора к обоим полюсам, а колонны – арабскими цифрами, начиная от меридиана 180° с запада на восток. Номенклатура листа карты состоит из буквы ряда и номера колонны. Например, лист с г. Москва обозначается N–37.

В лаборатории кафедры используются карты масштаба 1:100 000. Лист карты такого масштаба получается делением листа миллионной карты на 144 части; номенклатура его состоит из обозначения листа карты 1:1000 000 с добавлением одного из чисел 1, 2, 3, 4, ..., 143, 144. Например, лист стотысячной карты с г. Рязань будет N–37–56 [1].

Контрольные вопросы

• Перечислите основные задачи, решаемые с помощью ГИС;

• Какова роль ГИС в планировании сетей радиосвязи?

• В чем заключается различие между векторными, растровыми, матричными и комбинированными типами данных?

Лабораторная работа №1

• ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ «ONEPLAN RPLS-DB RFP»

Цель работы

Целью работы является знакомство с интерфейсом системы автоматизированного проектирования (САПР) ONEPLAN RPLS-DB RFP.