Расчет напряженности поля на границе зоны покрытия

Сначала можно найти уровень мощности P_T1 тепловых шумов приемника, пересчитанных к входу

(35)

где n_Т1 выбираем равным 7…9 дБ для частот диапазона 800…1000 МГц, и 5…7 дБ для частот 300…800 МГц, 7…9 дБ для частот 1000…5500МГц.

– полоса одного радиоканала, в котором располагается модулированный сигнал, кГц.

Тогда минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия можно определить по формуле

(36)

где – энергетический запас, выбираем его равным из диапазона =5…10 дБ,

– отношение сигнал-шум на входе приемника, для систем стандарта GSM и TDMA равно 12…18 дБ, для систем с кодовым разделением 6…8 дБ, а для систем с OFDMA 5..6дБ.

Рассчитать мощность BS в дБ можно по формуле

Рассчитать мощность MS в дБ можно по формуле

Формула для расчета мощности BS и MS в точке приема

(37)

где P_BS – излучаемая мощность BS, Вт;

G_R, G_T – коэффициенты усиления приемной и передающей антенн, их необходимо взять из программы RPS;

– коэффициенты направленного действия приемной и передающей антенн. Для приемной антенны MS равен 1, а для передающей его необходимо взять из программы RPS.

Тогда напряженность электрического поля на границе зоны покрытия Е_g, дБВ/м можно определить по формуле

(38)

где f, МГц – средняя частота заданного диапазона частот с учетом дуплекса

или (39)

А напряженность электрического поля в В/м можно определить по формуле

, В/м (40)

Или с помощью рисунка [6, с. 70].

Для создания такой напряженности необходимо, чтобы передатчик формировал мощность

, (41)

где Е напряженность электрического поля в точке приема, В/м,

d – расстояние до точки приема d=R, км

G – коэффициент усиления передающей антенны, выбирается в пределах от 1до 10.

h_ms, h_bs – высота подвеса антенн мобильной и базовой станций с учетом сферичности Земли, выбранные значения необходимо уменьшить на

, м (42)

Если расстояние от передатчика до приемника значительно превосходит дистанцию до первого максимума при распространении электромагнитных волн, т. е выполняется условие Введенского, когда

, м (43)

Тогда мощность передатчика можно рассчитать по формуле, с учетом ранее введенных ограничений

, Вт (44)

Для расчета мощности MS и BS можно изменить d устремив его к нулю и найти максимальные мощности, а затем выбрать значение из [1] по рекомендации 370 и на основании рассчитанного значения P_пер или по формуле (37) или из программы RPS для выбранного типа оборудования. А также необходимо выбрать и привести возможные значения мощностей мобильных станций разных категорий и типов. Учитывая, что MS чаще всего находится на расстоянии R/2 и должна иметь менее мощный, но экономичный передатчик.

1.5 Предварительное планирование емкости однородной сети подвижной связи

При проведении планирования емкости сети необходимо на основе заданной базовой технологии для сети подвижной связи и сведений таблицы 1:

– выбрать полосу частот одного радиоканала на основе технических характеристик,

– рассчитать значения частот несущих колебаний,

– выбрать кодовые, временные, частотные каналы для BS кластера в зависимости от базовой технологии,

– назначить номера каналов для всех BS кластера территориальной модели,

– рассчитать планируемое количество абонентов сети,

– привести графики поясняющие метод множественного доступа и режим работы сети (дуплекс).

Выполнить вышеуказанные требования необходимо с помощью сведений представленных в [2], [4],[5],[9] и [10].

Приведем примерную методику расчетов, выбора, назначения и построения графиков. В зависимости от стандарта можно выбрать полосу частот одного радиоканала согласно сведениям [2] и [6]. Зная диапазон рабочих частот Д_рч, (таблица 1), можно найти количество частотных каналов, если оно не определено стандартом, например, для сетей стандарта GSM.

(45)

где и верхняя и нижняя частота заданного в таблице 1 диапазона частот, МГц.

Для стандарта GSM900 частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам

, (46)

где n=1…124 – номера каналов рекомендованные для использования в сети.

Так как используется частотный дуплекс FDD, то значение несущих частот для линии вниз можно рассчитать по формуле

(47)

Для стандарта GSM1800 частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам

(48)

Для стандарта EGSM частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам

(49)

Для стандарта GSM1900 частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам

(50)

Для сети стандартов IMT-MC-450 и CDMA2000 может выделяться полоса частот одного радиоканала, например, из [6, с. 152] она равна

, МГц (51)

где j – может принимать значения 1, 3, 6, 9, 12.

Она может использоваться всеми мобильными станциями соты за счет кодового разделения. Тогда количество частотных каналов можно определить по (45), а – выбираем целое число.

И все каналов могут быть доступны всем пользователям сети. Частоты несущих этих каналов можно рассчитать по формулам для диапазона 450 МГц и j=1, 3, 6, 9, 12.

(52)

и по формулам для диапазона 850 МГц

(53)

Для сетей UMTS, WCDMA выделяется полоса частот или кратная ей [2]. Поэтому в выделенном диапазоне частот можно размещать такое количество радиоканалов, которое можно определить по формуле (45).

Частоты несущих этих каналов можно рассчитать по формулам

(54)

Если сеть стандартов UMTS и WCDMA работает с использованием временного дуплекса TDD, то рассчитывается значение только , так как

В сетях стандарта DECT частоты несущих могут рассчитываться по формуле для временного дуплекса в диапазоне 1900 МГц

, (55)

где

А в диапазоне 2,4 ГГц

(56)

где .

В сетях PHS частоты несущих колебаний рассчитываются по формулам, для и ТDD

(57)

В сетях PACS частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для и FDD

(58)

Для сети стандарта IEEE802.16 d,е частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для и FDD

(59)

Для сети стандарта IEEE802.11 работающей с FHSS частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для

(60)

Для сети стандарта IEEE802.11, работающей с DSSS, частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для полосы частот

(61)

Для сети стандарта Hyper LAN2 частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для

(62)

Для сети стандарта TETRA частоты несущих колебаний можно рассчитать по формулам, для полосы в режиме FDD

(63)

где – значение дуплексного разноса (надо выбрать из технических характеристик),

n_f.– определяется по формуле (45).

В сетях с OFDMA с базовой технологией IMT Advanced частота несущего колебания f₀ определяется, как среднее между f_в и f_н. А частота несущего колебания подканала в выделенном диапазоне частот Д_рч определяется с помощью выражения

, МГц (64)

где n – номер подканала, а радиоканал может занимать диапазоны 5, 10, 15, 20, 30 и 1,4 МГц или 3,5 МГц; номер подканала n – это и число точек преобразования Фурье, так как для его формирования используется быстрое преобразование Фурье (FFT);

f₀ – центральная частота, поэтому номера подканалов могут быть и положительными и отрицательными, например, n= .

При использовании OFDMA ортогональные подканалы назначаются с помощью программного обеспечения, осуществляя быстрое преобразование Фурье для n= , количество которых определяется качеством связи, которое потребовал абонент.

Затем надо рассчитать общее количество физических (частотно-временных или кодово-временных или частотно-кодовых каналов), если используется двойной метод множественного доступа или каналов, если используется один тип доступа.

Для двойного типа доступа

(65)

где – количество временных каналов (слотов) на одном частотном. Для тройного типа доступа

(66)

где – количество кодовых каналов (кодовых слов) на одном частотном.

Высокая частотная эффективность сетей сухопутной подвижной радио связи является основным требованием при проектировании. В сети с кодовым разделением каналов сигналы разделяются по коду, параметры которого имеют высокую частотную эффективность. Поэтому необходимо рассчитать и построить территориальную модель с учетом кодового разделения. Кодовое разделение можно организовать разными методами. Известны прямое расширение спектра DSSS, расширение спектра скачками частоты и времени [2].

Кодовое разделение сигналов основано на применении шумоподобных сигналов (ШПС). Эти сигналы формируются с использованием прямого расширения спектра частот с помощью псевдослучайной последовательности (ПСП). Каждый бит тогда можно передавать периодом ПСП. Такой метод может применяться в сетях стандартов CDMA, WCDMA, IMT-MC-450, CDMA 2000, IEEE802. 11_DSSS, IMT-EV-DO, то есть в сетях третьего, четвертого и будущих поколений.

В качестве расширяющих кодов могут использоваться псевдослучайные последовательности (ПСП): М-последовательности (например, код Баркера), код Уолша, Кассами, Голда, код с меняющимся фактором расширения OVSF.

Для базовых технологий с DSSS необходимо в полосе частот диапазона Д_рч распределить кодовые каналы для одного кластера. Для этого надо общее количество расширяющих кодовых слов распределить приблизительно поровну между всеми BS кластера и проверить назначенные расширяющие кодовые слова BS на ортогональность, на отсутствие шума не ортогональности, т.е. исследовать корреляционные свойства. Например, допустим, что размерность кластера С=3 и в базовой технологии используется код OVSF. Код OVSF строится согласно кодовому дереву рисунка 10

Рисунок 10 – Кодовое дерево кода OVSF

Выбираем максимально возможное значение расширяющих кодовых слов по техническим характеристикам, оно должно быть кратным , например, . Тогда существует 15 кодовых слов, из которых ортогональными являются только те кодовые слова, которые находятся в не родственных ветвях. Их только четыре в восьмиразрядном ряду. Это и . Затем можно назначить коды для BS. Так как С=3, в BS1 используем код С_8,1 или С_8,2, в BS2 код С_8,3 или С_{8, 4}, в BS3 код С_8,5 или С_{8, 6.} Оставшиеся кодовые слова С_{8, 7} и С_{8, 8} можно использовать как резервные или назначить BS, которая обслуживает территорию, где большая плотность населения. Результат кодового планирования необходимо представить в виде таблицы. Для приведенного примера это таблица 7.

Таблица 7–Планирование кодовых каналов для базовых станций

Номера BS	BS1	BS2	BS3
Назначенные кодовые каналы	С8,1	С8,3	С8,5

Для сетей использующих код Уолша кодовые слова составляются согласно матрице [2, с. 302]. Единичная матрица строится

Н₁= (67)

А матрица k-ого порядка имеет вид

Hk= (68)

Сформулировав матрицу 64×64 разряда, выбираем из нее строки (столбцы) с номерами от W₀₀ до W₆₃. Все строки (столбцы) ортогональны друг другу, поэтому их можно назначать для BS кластера по методике изложенной для кода OVSF, но брать можно и соседние строки. В результате можно организовать 64 кодовых канала. Например, применяя С=3 в каждой BS можно организовать 21 кодовый канал, а один канал будет резервным или будет использоваться в BS с большей плотностью населения. Тогда распределение кодовых каналов имеет вид таблицы 8.

Таблица 8 –Кодовые каналы базовых станций С=3

Номера BS	BS1	BS2	BS3
Назначенные кодовые каналы	W00 W01 … W20	W21 W22 … W41	W42 W43 … W62

Затем необходимо исследовать корреляционные свойства назначенных кодов кодовым каналам. Проделаем это на основе примера. Например, согласно матрице

W₄= (69)

выберем кодовые слова W₀₀=1111 и кодовое слово W₀₁=1-11-1.

Тогда взаимная корреляционная функция двух кодовых слов W₀₀ и W₀₁

(70)

для цифровых сигналов

(71)

где n – количество разрядов;

τ – длительность одного разряда.

Для нашего примера nτ=4 разряда

R(x)=(1·1+1·(-1)+1·1+1·(-1))=0.

Т. е. кодовые слова W₀₀ и W₀₁ не коррелируют, не взаимодействуют, они ортогональны, и процесс приемо-передачи сигналов не возможен.

Аналогично рассуждая, автокорреляционная функция для W₀₀

= 1·1+1·1+1·1+1·1=4

т. е. наблюдается корреляция (взаимодействие, совпадение) кодовых слов W₀₀ и W₀₀.

Это же наблюдаем и для кодового слова W₀₁.

= 1·1+(-1)·(-1)+1·1+(-1)·(-1)=4

Поэтому, если пользователи имеют одинаковые расширяющие кодовые слова Wmn при приеме и передаче, то связь возможна, а если разные, то нет.

Если сдвинуть W₀₁ на 1 разряд

1 -1 1 -1 → -1 1 -1 1 и R(x)= 1·(-1)+(-1)·1+1·(-1)+(-1)·1=0

т. е. копия и основное кодовое слово не коррелируют, не взаимодействуют, поэтому многолучевое распространение может не влиять на качество приема, но это не всегда.

Проделав такую процедуру для всех кодов, назначенных для BS кластера, некоторые кодовые слова надо будет исключить, так как они не ортогональны, т.е. имеется шум не ортогональности. Тогда придется добавить лишние, не используемые кодовые слова.

После расчета количества частотных каналов и значений их несущих частот и , расчета временных каналов и кодовых каналов , необходимо обосновать режим работы сети FDD или ТDD, пояснить как чередуется последовательность работы приемника и передатчика базовой и мобильной станций. И обосновать метод множественного доступа, который используется в проектируемой сети и задан в КП согласно базовой технологии таблицы 1. В результате этих обоснований, представить графики зависимостей или , которые должны содержать основные параметры метода множественного доступа и режима работы сети (дуплекса).

Затем согласно территориальному планированию необходимо для каждой базовой станции кластера назначить значения несущих частот из списка ранее рассчитанного и , указать номера радиоканалов, кодовых и временных каналов для них. Номера для BS могут распределяться согласно заданному стандарту и ранее приведенным расчетам. Но необходимо учесть особенности организации множественного доступа и дуплекса для каждого из стандартов.

Например, если используется стандарт GSM, то частотные каналы одной базовой станции, могут находиться на расстоянии и может использоваться статическое и динамическое распределение частотных каналов [2, c.181].

Для сетей использующих сразу несколько множественных доступов, например, FDMA/TDMA/TDD, можно использовать и рядом находящиеся номера каналов, так как из-за TDMA можно разделить соседние радиоканалы. Это относится к сетям сотовой связи стандартов IMT-MC-450, UMTS, DECT, IEEE802.16, CDMA 2000, WCDMA, IEEE802.11, PACS, PHS, Hyper LAN2 и OFDMA. При этом необходимо учитывать технологию MIMO, которая может использоваться в сетях четвертого поколения [9, c.169, 157] и [13, c. 556–564] с базовой технологией IMT Advanced c FDD и TDD.

Сети стандарта TETRA могут использовать базовые станции, несущие которых могут располагаться на расстоянии (6…10)∆f,для уменьшения интерференционных помех от соседних базовых станций.

Зная вероятность отказа в соте Р_ОТК, и рассчитав и выбрав количество физических (частотно-временных и кодовых) каналов n, можно определить трафик соты А_С с помощью формулы

, (72)

Трафик соты А_С можно определить и с помощью программы MatLab07 или воспользоваться графиками [2, с.174].

Зная трафик соты, можно рассчитать трафик кластера:

, Эрл. (73)

Тогда трафик всей сети

, Эрл. (74)

И можно определить количество пользователей в сети

(75)

Например, согласно ранее приведенным расчетам, указаниям и требованиям заданного стандарта, например GSM900, семь BS могут работать на радиоканалах с номерами, следующими через 4. Они приведены в таблице 9.

Таблица 9–Номера радиоканалов базовых станций

№ базовой станции
Номера радиоканалов	1,5,	13,17,	25,29,	37,41,	49,53,	61,65	73,77,

Приведем графики зависимостей, поясняющие FDD и FDMA+TDMA, например, для BS с номером 3 для кластера с С=7. Распределение каналов и FDD для BS3 приведено на рисунке 10. А метод множественного доступа в этой же базовой станции представлен на рисунке 11.

На таких рисунках необходимо указать: дуплексный разнос, длительность слота t_c и длительность кадра t_к, мощности передатчиков базовой и мобильной станций, частоты и номера каналов, полосу частот канала.

Рисунок 11 – Распределение номеров каналов и FDD в BS3

Рисунок 12 – Метод FDMA+TDMA и FDD в BS3