Анализ трафика и покрытия территории

Стоимость проектируемой сотовой сети является одним из важнейших факторов. Вложенные в строительство сети средства должны окупаться в заданный период. При проектировании конкретной системы, группа специалистов по технической, финансовой, маркетинговой стороне проекта должны разработать бизнес-план, в котором, исходя из условий рынка, технических и финансовых возможностей оператора должны быть оценены объемы возможных затрат и объемы предполагаемой прибыли от реализации конкретного проекта.

На начальном этапе проектирования системы под пропускной способностью системы понимают предполагаемое количество обслуживаемых абонентов. Пропускная способность сети на этапе проектирования должна быть выбрана достаточной, для удовлетворения всей потенциальной емкости рынка мобильной связи в намеченном регионе.

Зона радиопокрытия сети городской сотовой связи, должна охватывать всю территорию города, пригородных населенных пунктов и путей сообщений.

Вероятность блокировка вызовов или (GoS – Grade of Service) – процент неудачных попыток установления соединения, вызванных перегрузками в сети, вычисляется по формуле Эрланга Б и используется для расчета вероятности блокировки вызовов при заданной величине нагрузки и заданном количестве каналов трафика.

Вероятность поступления вызовов в момент, когда все каналы заняты, может быть рассчитана по формуле

, (4.1)

где N- количество каналов трафика;

А - обслуживаемая нагрузка, Эрланг.

Нагрузка на одного абонента может быть посчитана по формуле

, (4.2)

где n - количество соединений за промежуток времени, например, 1 час или 3600 сек.;

Т- среднее время разговора в течение соединения, сек.

В соответствии с требованиями операторских лицензий, величина отказов внутри отечественных сотовых сетей общего пользования принимается на уровне Ротк 5%, а расчетная удельная нагрузка на одного абонента 0.015 Эрланг. Иногда, закладывая запас на проектирование, расчет трафика производят исходя из нагрузки (входящая + исходящая) на одного абонента в ЧНН равной 0.025 Эрл и вероятности блокировки 2%. Опыт работы сотовых сетей в России и Казахстане показывает, что средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, колеблется на уровне (0.007 - 0.016) Эрл., таблица 4.1.

При анализе доступных для планирования частот, важнейшим пунктом является оценка электромагнитной совместимости (ЭМС) подсистемы базовых станций BSS. ЭМС рассматривается на двух уровнях:

- межсистемная ЭМС;

- внутрисистемная ЭМС.

В рамках требований межсистемной ЭМС рассматриваются вопросы, относящиеся к обеспечению совместной работы приемопередающего оборудования подсистем BSS с радиоэлектронными средствами (РЭС) гражданского и специального назначения, работающими в соответствующих частотных диапазонах и в пределах координационных расстояний. Основой для обеспечения межсистемной ЭМС является разделение частотного диапазона, определяемое Регламентом радиосвязи Республики Казахстан.

Анализ межсистемной ЭМС проводится на этапе выдачи Агентством по Информатизации и Связи разрешений на использование операторами связи радиочастот.

В рамках рассмотрения межсистемной ЭМС могут быть выделены вопросы обеспечения объектной ЭМС. Объектная ЭМС должна обеспечить совместную работу различных РЭС, устанавливаемых на одном объекте, и предусматривает отсутствие взаимных помех под воздействием излучаемых радиочастот, их гармоник и продуктов интермодуляции.

На этапе анализа абонентского распределения учитывается:

- плотность застройки территории, ее неравномерность;

- направление и загруженность автомобильных дорог в данном районе;

- статистика загрузки существующих сетей PSTN или PLMN.

На основании полученных данных определяется топология сотовой сети. Топология подсистем базовых станций BSS строится на основе сотовых структур. Радиусы сот подбираются в соответствии с плотностью абонентской нагрузки и требованиями по пропускной способности. Различают 3 градации размеров сот:

- макросоты радиусом (3.5 - 35) км;

- микросоты радиусом (0.5 - 3.5) км;

- пикосоты радиусом до 0.5 км.

Таблица 4.1 – Таблица Эрланга

n	.007	.008	.009	.01	.02	.03	.05	.1	.2	.4
	.00705	.00806	.00908	.01010	.02041	.03093	.05263	.11111	.25000	.66667
	.12600	.13532	.14416	.15259	.22347	.28155	.38132	.59543	1.0000	2.0000
	.39664	.41757	.43711	.45549	.60221	.71513	.89940	1.2708	1.9299	3.4798
	.77729	.81029	.84085	.86942	.0923	1.2589	1.5246	2.0454	2.9452	5.0210
	1.2362	1.3223	1.3223	1.3608	1.6571	1.8752	2.2185	2.8811	4.0104	6.5955
	1.7531	1.8610	1.8610	1.9090	2.2759	2.5431	2.9603	3.7584	5.1086	8.1907
	2.3149	2.3820	2.4437	2.5009	2.9354	3.2497	3.7378	4.6662	6.2302	9.7998
	2.9125	2.9902	3.0615	3.1276	3.6271	3.9865	4.5430	5.5971	7.3692	11.419
	3.5395	3.6274	3.7080	3.7825	4.3447	4.7479	5.3702	6.5464	8.5217	13.045
	4.1911	4.2889	4.3784	4.4612	5.0840	5.5294	6.2157	7.5106	9.6850	14.677
	4.8637	4.9709	5.0691	5.1599	5.8415	6.3280	7.0764	8.4871	10.857	16.314
	5.5543	5.6708	5.7774	5.8760	6.6147	7.1410	7.9501	9.4740	12.036	17.954
	6.2607	6.3863	6.5011	6.6072	7.4015	7.9667	8.8349	10.470	13.222	19.598
	6.9811	7.1154	7.2382	7.3517	8.2003	8.8035	9.7295	11.473	14.413	21.243
	7.7139	7.8568	7.9874	8.1080	9.0096	9.6500	10.633	12.484	15.608	22.891
	8.4579	8.6092	8.7474	8.8750	9.8284	10.505	11.544	13.500	16.807	24.541
	9.2119	9.3714	9.6171	9.6516	10.656	11.368	12.461	14.522	18.010	26.192
	9.9751	10.143	10.296	10.437	11.491	12.238	13.385	15.548	19.216	27.844
	10.747	10.922	11.082	11.230	12.333	13.115	14.315	16.579	20.424	29.998
	11.526	11.709	11.876	12.031	13.182	13.997	15.249	17.613	21.635	31.152
	12.312	12.503	12.677	12.838	14.036	14.885	16.189	18.651	22.848	32.808
	13.105	13.303	13.484	13.651	14.896	15.778	17.132	19.692	24.064	34.464
	13.904	14.110	14.297	14.470	15.761	16.675	18.080	20.737	25.281	36.121
	14.709	14.922	15.116	15.295	16.631	17.577	19.031	21.784	26.499	37.779
	15.519	15.739	15.939	16.125	17.505	18.483	19.985	22.833	27.720	39.437
	16.334	16.561	16.768	16.959	18.383	19.392	20.943	23.885	28.941	41.096
	17.153	17.387	17.601	17.797	19.265	20.305	21.904	24.939	30.164	42.755
	17.977	18.218	18.438	18.640	20.150	21.221	22.867	25.995	31.388	44.414
	18.805	19.053	19.279	19.487	21.039	22.140	23.833	27.053	32.614	46.074
	19.637	19.891	20.123	20.337	21.932	23.062	24.802	28.113	33.840	47.735
	20.473	20.734	20.972	21.191	22.827	23.987	25.773	29.174	35.067	49.395
	21.312	21.580	21.823	22.048	23.725	24.914	26.746	30.237	36.295	51.056

При этом, пикосоты могут вкладываться в микросоты, а те в макросоты для увеличения пропускной способности в точках локально увеличенного трафика. Таким образом, адаптируется топология подсистемы базовых станций к величине, плотности и территориальному распределению абонентской нагрузки.

При строительстве PLMN важно так же учитывать:

- возможность появления другого оператора в регионе. Если такой оператор уже существует, то оценивается его работа, ценовая политика, учитываются недостатки и достоинства его сети;

- оценивается платежеспособность и материальное благосостояние населения, а так же другие технические, экономические, социальные факторы, так или иначе влияющие на процесс планирования.

4.2 Номинальный сотовый план

Номинальный сотовый план – это графическое изображение будущей сотовой сети и выглядит он как набор сот, нанесенный поверх географической карты. Но прежде чем определить расположение BS и сот на карте, необходимо произвести соответствующие расчеты. Общее количество базовых станций, определяется двумя параметрами:

- обеспечение непрерывного радиопокрытия;

- обеспечение необходимой пропускной способности.

На начальном этапе невозможно предсказать, как и в каком количестве будет распределена нагрузка в системе. На данном этапе проектирования необходимо обеспечить непрерывное радиопокрытие заданной территории.

Необходимо выбирать расстояния между BSС для того, чтобы в случае внедрения приемопередатчиков GSM 1800 в целях увеличения емкости, удовлетворялись требования по силе и качеству сигнала. Что касается пропускной способности, то можно достаточно широко варьировать ее величиной за счет изменения количества приемопередатчиков и применения полускоростных (HR) каналов.

Оптимальное расстояние между соседними BSС и радиусом сот зависит от типа местности и от частотного диапазона. Приведенные в таблице 4.2 величины рекомендованы компанией Ericsson при строительстве двухдиапазонных сетей стандартов GSM 900/1800. Эти величины являются мерой оценки необходимого количества BSС по критерию непрерывного покрытия.

Таблица 4.2 – Оптимальные размеры сот

Условия	GSM 1800	GSM 900
Радиус соты, км.	Расстояние между BSС, км.	Радиус соты, км	Расстояние между BSС, км.
Город	2.7	4.0	3.7	5.6
Пригород		7.5	8.1	12.2
Открытая местность

В местах, где предполагается большая нагрузка, BSС необходимо
располагать несколько ближе друг к другу, чем в местах меньшей
концентрации трафика.

Рисунок 4.1 – Номинальный сотовый план

После того, как собраны данные о предполагаемой нагрузке и
требуемом покрытии, составляется номинальный сотовый план, который
представляет собой географическую презентацию сети на карте (рисунок
4.1). Необходимо отметить, что номинальный сотовый план является первым этапом сетевого планирования.

После того, как получен номинальный сотовый план, необходимо рассчитать зоны покрытия и частоты интерференции.

Для наиболее эффективного планирования важно учитывать законы распространения радиоволн в конкретных условиях. Для этих целей существуют специальные компьютерные программы, в которых заложены цифровые карты местности и используются общепринятые эмпирические модели распространения радиоволн в городской и пригородной застройке, такие как "Окомура-Хата", "Ли" и др. Вычислительные программы, основанные на этих алгоритмах, позволяют:

- предсказывать зоны покрытия базовыми станциями;

- предсказывать зоны интерференции в будущей сети.

Входными данными для вычислительных программ является:

- частотный диапазон;

- расположение BS;

- мощности излучения BS;

- параметры антенных систем.

Необходимо учитывать диаграмму направленности антенн. В таблице 4.3 представлен пример данных, которые необходимо учитывать при выборе антенных систем.

Таблица 4.3 - Параметры антенны Allgon 7331.06

Параметр	Значение
Коэффициент усиления	16 дБ
Поляризация	Х-поляризация 45°
Ширина ДН в вертикальной плоскости по уровню 3 дБ	9°
Ширина ДН в горизонтальной плоскости по уровню 3 дБ	65°
Максимальная входная мощность	300 Вт на порт

Номинальный сотовый план является упрощенным (идеализированным). Реально, на распространение радиоволн влияет множество факторов (рельеф местности, дома, движущиеся объекты и т.д.). Проблемы, связанные с затенением, многолучевым распространением радиоволн проявляются на действительном покрытии системы. В реальной ситуации форма покрытия от одной соты не имеет идеального шестигранника, как показано на рисунке 4.1, а имеет более сложную форму.

Помимо проблем, перечисленных выше, в системе GSM присутствует еще одна – проблема временной дисперсии. Эта проблема вызвана отражением от удаленных объектов. Для оценки данной проблемы используется показатель качества - отношение C/R Carrier-to-Reflection (отношение основного сигнала С к отраженному сигналу R). Для открытых районов распространение радиоволн осуществляется в зоне прямой видимости. В таких случаях прием сигналов возможен на достаточно больших расстояниях из-за малого затухания сигнала. Но, максимальный радиус соты в системе GSM составляет 35 км. Это обусловлено проблемой временного выравнивания (Time Alignment). Чтобы этого избежать следует использовать системные опции, например, опцию Extended Range, которая путем использования двух последовательных временных интервалов TDMA позволяет увеличить значение ТА, и, тем самым, увеличить зону обслуживания до 72 км и более.

В условиях ограниченного частотного ресурса, повторное использование частот из выделенного частотного диапазона позволяет обеспечить непрерывное радиочастотное покрытие на достаточно больших территориях. В классической теории сотового планирования, соты группируются в кластеры, в каждом кластере используется фиксированный набор частот, который повторяется через определенное расстояние. Помимо обеспечения непрерывным покрытием больших территорий, повторное использование частот на сетях сотовой связи увеличивает и пропускную способность системы. Но, как говорится, за все надо платить.

Отрицательная сторона повторного использования частот – это возникновение интерференции (рисунки 4.2, 4.3). В основном, проектировщики сотовых систем оценивают внутрисистемную ЭМС (С/I, С/А). С/I - Carrier - to - Interference. Интерференция по основному каналу. С/А - Carrier - to - Adjacent. Интерференция по соседнему каналу (+/- 200, 400 кГц).

Рисунок 4.2 – Интерференция по основному каналу

Рисунок 4.3 – Интерференция по соседнему каналу

Требования к внутрисистемной ЭМС, заложенные в стандарте GSM:

- по основному каналу: С/I > 9 dB;

- по соседнему, отстройка (+/-200 кГц): С/А < -9 dB;

- по соседнему, отстройка (+/-400 кГц): С/А < -41 dB;

Как было отмечено выше, анализ межсистемной ЭМС проводится на этапе выдачи АИС разрешений на использование операторами связи конкретных радиочастот. Внутрисистемная ЭМС должна анализироваться и рассчитываться оператором. Внутрисистемная ЭМС сетей сотовой связи обеспечивает отсутствие взаимных радиопомех между работающими в данной сети радиосредствами. Основным критерием внутрисистемной ЭМС является допустимая величина уровня интерференции, которая не должна быть выше значения, установленного стандартом GSM.

К внутрисистемной ЭМС относятся следующие вопросы:

- обеспечение необходимых частотных развязок между приемными и передающими трактами радиооборудования в эфирной среде и в различных элементах антенно-фидерных систем при объединении передатчиков и приемников базовых станций;

- отсутствие излучения на соседних радиоканалах в пределах одной соты, а также взаимно направленного излучения на одинаковых или соседних радиоканалах в смежных сотах.

Добавка о кластере. Соты с одинаковыми частотами должны быть разнесены в пространстве на расстояние не меньше чем 3R. Второе требование гласит, что С/I должен быть не меньше 12 дБ, при наличии в сети 6 сот с одинаковыми частотами. Для расчета величины С/I используется следующая формула

, (4.4)

где - количество интерферирующих сайтов;

q_S - расстояние между одноименными частотами;

у - показатель потерь на трассе между MS и BSС (таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Значения у на трассе для различных районов города.

	Городская застройка	Пригород	Открытая местность
у		3.5

Например, если в кластере 7 сайтов (Кисп = 7), то б сайтов ( =6), окружает обслуживающую соту на расстоянии D₁ = 4.58 Ri . Если за пределами этого набора нет других кластеров, содержащих ту же частоту то

Таким образом, при проектировании систем сотовой связи с применением плана повторного использования частот можно брать за основу кластерную структуру с коэффициентом повторного использования К_ИСП > 3. Если же в системе присутствует больше 6 кластеров с одноименными частотами, то величина С/I немного уменьшится. Поэтому при проектировании крупных сетей необходимо брать пространственный разнос между одноименными частотами с небольшим запасом в сторону увеличения расстояния.