Вычисление радиуса зоны обслуживания

Теперь по формуле можно определить необходимый уровень напряженности поля полезного сигнала

По графику МККР для высоты установки антенны БС 12 м радиус зоны обслуживания составит (рисунок 3.2):

R₃₀=10 км.

(поскольку высота антенны равна 12 м то радиус зоны покрытия будет равен 5 км) R₁₂=5 км.

Рисунок 3.1 – Зависимость напряженности поля от расстояния при различных высотах подвеса передающей антенны

Таким образом, с помощью расчета установлено, что при использовании данной аппаратуры связи в зоне обслуживания радиусом порядка 5 км связь в направлении АС-БС будет устанавливаться в 90% времени и мест с отношением сигнал/шум на выходе приемника не хуже 12 дБ. Расчет производился для уровня напряженности внешних помех в месте расположения БС, равного 1.5 мкВ/м.

Анализ результатов расчета

В результате проведенных расчетов были получены следующие результаты:

1) радиус зоны обслуживания системы WiMAX R=5 км;.

Замечания к первому пункту:

- расчет проведен только для данной аппаратуры и конкретной, рассмотренной выше комплектации антенно-фидерного тракта;

- в качестве абонентской станции в расчете выбрана носимая станция;

- связь в рассчитанной зоне будет устанавливаться в 90% времени и в 90% мест;

- расчет производился при уровне помех для базовой станции 1 мкВ/м;

- полученная величина радиуса зоны обслуживания системы является максимально возможной при заданных условиях;

- главным фактором, ограничивающим дальность связи в системе, приданной комплектации антенно-фидерного тракта, является мощность передатчика АС, поэтому расчет производился в направлении от абонентской станции к базовой;

- дальность связи может быть увеличена уменьшением затухания на прием в антенно-фидерном тракте БС или увеличением высоты подвеса антенны, или, также, применением ретрансляторов.

Замечания ко второму пункту:

- расчет проведен только для данной аппаратуры и конкретной, рассмотренной выше комплектации антенно-фидерного тракта;

- в качестве абонентской станции в расчете выбрана носимая станция;

- при оптимальной мощности передатчика качество связи в направлении АС-БС будет таким же как и в направлении БС-АС;

- расчет производился при уровне помех для носимой станции, имеющих место на расстоянии 7м от автомагистрали за чертой города, что считалось худшими условиями приема на границе зоны обслуживания;

- полученная величина оптимальной мощности передатчика рассчитана для максимально возможной зоны обслуживания системы;

- если опыт эксплуатации системы покажет, что достаточно меньшей зоны обслуживания, мощность передатчиков БС системы может быть понижена в целях экономии электроэнергии и улучшения электромагнитной обстановки в месте действия системы;

- если необходимо, что бы находясь в условиях, когда ведение передачи невозможно, АС могла обеспечить прием переговоров своей разговорной группы, имеет смысл увеличить мощность передатчиков БС выше рассчитанного значения;

- при увеличении мощности передатчиков выше оптимальной становится невозможной сигнализация радиостанциями выхода из зоны обслуживания, т.к. она происходит при невозможности приема АС сообщений контрольного канала.

3.2 Рассмотрение основных параметров технологии LTE

Стандарт LTE представляет собой обладающий большой гибкостью эфирный интерфейс. Тип сети носит название E-UTRAN – Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (развивающаяся универсальная наземная сеть радиодоступа). Ниже приведены основные параметры технологии LTE.

1. Технология множественного доступа:

· прямой канал (Downlink – DL) – OFDMA;

· обратный канал (Uplink – UL) – SC-FDMA;

2. Рабочий диапазон частот: 450 МГц; 700 МГц; 800 МГц;
1800 МГц; 2,1 ГГц; 2,4 - 2,5 ГГц; 2,6 - 2,7 ГГц.

3. Битовая скорость:

· прямой канал (DL) MIMO 2TXЧ2RX: 100 - 300 Мбит/с;

· обратный канал (UL): 50 - 172,8 Мбит/с.

4. Ширина полосы радиоканала: 1,4 - 20 МГц.

5. Радиус ячейки: 5 – 30 км.

6. Емкость ячейки (количество обслуживаемых абонентов):

· более 200 пользователей при полосе 5 МГц;

· более 400 пользователей при полосе больше 5 МГц.

7. Мобильность: скорость перемещения до 250 км/ч.

8. Параметры MIMO:

· прямой канал (DL): 2TXЧ2RX, 4TXЧ4RX;

· обратный канал (UL): 2TXЧ2RX.

9. Заначение задержки (latency): 5мс.

10. Спектральная эффективность: 5 бит/сек/Гц.

11. Поддерживаемые типы модуляции:

· прямой канал (DL): 64 QAM, QPSK, 16 QAM.

· обратный канал (UL): QPSK, 16 QAM.

12. Дуплексное разделение каналов: FDD, TDD.

3.2.1 Сетевая архитектура стандарта LTE

Архитектура сети LTE разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с «бесшовной» мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания. Основной целью разработчиков стандарта LTE были максимально возможное упрощение структуры сети и исключение дублирующих функций сетевых протоколов, характерных для системы 3G.

Рисунок 3.2 - Обобщенная структура сети LTE

В архитектуре стандарта LTE все сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой станцией (eNB) и блоком управления мобильностью (MME), который включает в себя сетевой шлюз GW (Gateway).
На физическом уровне сеть LTE состоит из двух компонентов: сети радиодоступа E-UTRAN и базовой сети SAE (System Architecture Evolution).
Сеть E-UTRAN состоит из базовых станций eNB. Базовые станции являются элементами полносвязной сети и соединены между собой по принципу «каждый с каждым». Каждая eNB имеет интерфейс S1 с базовой сетью SAE, построенной по принципу коммутации пакетов. На eNB в сетях LTE возложены следующие функции: управление радиоресурсами, шифрование потока пользовательских данных, маршрутизация в пользовательской плоскости пакетов данных по направлению к обслуживающему шлюзу, диспетчеризация и передача вызывной и вещательной информации, измерение и составление отчетов для управления мобильностью.

3.2.2 Использование технологии MIMO в сетях LTE

Технология MIMO в сетях LTE играет одну из важных ролей в обеспечении высоких скоростей передачи данных.

MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход – множественный выход) – технология, которая представляет собой беспроводной доступ, предусматривающая использование нескольких передатчиков и приемников для одновременной передачи большего количества данных. Технология MIMO использует эффект передачи радиоволн, называемый многолучевым распространением, когда передаваемые сигналы отражаются от множества объектов и препятствий и принимающая антенна воспринимает сигналы под разными углами и в разное время. С применением технологии MIMO становится возможным увеличить помехоустойчивость каналов связи, уменьшить относительное число битов, принятых с ошибкой. Работа систем MIMO может быть организована по двум принципам: по принципу пространственного уплотнения и по принципу пространственно-временного кодирования.
В первом случае различные передающие антенны передают различные части блока информационных символов или различные информационные блоки. Передача данных ведется параллельно с двух или с четырех антенн. На приемной стороне производится прием и разделение сигналов различных антенн. Во втором случае, со всех передающих антенн осуществляется передача одного и того же потока данных с использованием схем предварительного кодирования.
Антенные конфигурации технологии MIMO могут принимать симметричные (2Ч2, 4Ч4) и несимметричные (1Ч2, 2Ч4) значения. На рисунке 1.4 показана структурная схема MIMO-системы с двумя передающими и двумя принимающими антеннами, реализованная по принципу пространственно-временного кодирования.

Рисунок 3.3 Структурная схема MIMO-системы 2Ч2

3.2.3 Спектр услуг, предоставляемых сетями LTE

Услуги, предоставляемые сетями LTE, имеют более широкий спектр по сравнению с сетями 2G/3G. В первую очередь это связано с высокой пропускной способностью сети и повышенной скоростью передачи данных, а так же с переходом на концепцию «все через IP». Основными услугами, предоставляемых сетью LTE являются следующие:

· пакетная передача речи;

· передача Интернет-файлов;

· доставка электронной почты;

· передача мультимедийных сообщений;

· мультимедийное вещание, включающее в себя потоковые услуги, услуги по загрузке файлов, телевизионные услуги;

· потоковое видео;

· VoIP и высококачественные видеоконференции;

· онлайн-игры через мобильные и фиксированные терминалы различных типов;

· мобильные платежи с высокой передачей реквизитов и идентификационной информации.

Рисунок 3.4 - Архитектура распределительной сети LTE.

При планировании сети LTE, в первую очередь, необходимо определитькаким образом будут реализованы решения построения транспортной сети и сети радиодоступа E-UTRA.

В процессе планирования радиосетей LTE имеется ряд отличий от процесса планирования других технологий беспроводного радиодоступа. Главное отличие – это использование нового типа многостанционного доступа на базе технологии OFDM, наличием двух типов дуплекса - частотного (FDD) и временного (TDD), а при планировании сетей с временным дуплексом приходится искать компромисс между радиопокрытием и емкостью сети, в связи с чем появляются новые понятия и изменяются алгоритмы проектирования. Процесс планирования радиосети состоит из двух этапов:

· формирование максимальной площади покрытия;

· обеспечение требуемой емкости.

Пропускную способность, или емкость, сети оценивают, базируясь на средних значениях спектральной эффективности соты в определенных условиях.
Спектральная эффективность систем мобильной связи представляет собой показатель, вычисляемый как отношение скорости передачи данных на 1 Гц используемой полосы частот (бит/с/Гц). Спектральная эффективность является показателем эффективности использования частотного ресурса, а также характеризует скорость передачи информации в заданной полосе частот.
Спектральная эффективность может рассчитываться как отношение скорости передачи данных всех абонентов сети в определенной географической области (соте, зоне) на 1 Гц полосы частот (бит/с/Гц/сота), а также как отношение максимальной пропускной способности сети к ширине полосы одного частотного канала.
Средняя спектральная эффективность для сети LTE, ширина полосы частот которой равна 20 МГц, для частотного типа дуплекса FDD на основании 3GPP Release 9 для разных конфигураций MIMO, представлена в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Средняя спектральная эффективность для сети LTE

Линия	Схема MIMO	Средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц)
UL	1Ч2 1Ч4	1,254 1,829
DL	2Ч2 4Ч2 4Ч4	2,93 3,43 4,48

· Для системы FDD средняя пропускная способность 1 сектора eNB может быть получена путем прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность канала:

(3.17)

где S – средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц);

W – ширина канала (МГц); W = 10 МГц.

Для линии DL:

R_DL = 3,43 · 10 = 34,3 Мбит/с.

Для линии UL:

R_UL = 1,829 · 10 = 18,29 Мбит/с.

Средняя пропускная способность базовой станции R_eNB вычисляется путем умножения пропускной способности одного сектора на количество секторов базовой станции; число секторов eNB примем равное 3, тогда:

(3.18)

Для линии DL:

R_eNB.DL = 34,3 · 3 = 102,9 Мбит/с.

Для линии UL:

R_eNB.UL = 18,29 · 3 = 54,87 Мбит/с.

Следующим этапом будет определение количества сот в планируемой сети LTE.

Для расчета числа сот в сети необходимо определить общее число каналов, выделяемых для развертывания проектируемой сети LTE. Общее число каналов N_к рассчитывается по формуле:
, (3.3)

где ?f_? - полоса частот, выделенная для работы сети и равная 71 МГц;

?f_к – полоса частот одного радиоканала; под радиоканалом в сетях LTE определяется такое понятие как ресурсный блок РБ, который имеет ширину 180 кГц, ?f_к = 180 кГц.

Далее определим число каналов N_к.сек, которое необходимо использовать для обслуживания абонентов в одном секторе одной соты:
(3.4)
где N_к – общее число каналов;

N_кл – размерность кластера, выбираемое с учетом количества секторов eNB, примем равным 3;

M_сек – количество секторов eNB, принятое 3.

Далее определим число каналов трафика в одном секторе одной соты N_кт.сек. Число каналов трафика рассчитывается по формуле:

(3.5)

где N_кт1 – число каналов трафика в одном радиоканале, определяемое стандартом радиодоступа (для OFDMA N_кт1 = 1...3); для сети LTE выберем N_кт1 = 1.

В соответствии с моделью Эрланга, представленной в виде графика на рисунке 3.1, определим допустимую нагрузку в секторе одной соты А_сек при допустимом значении вероятности блокировки равной 1% и рассчитанным выше значении N_кт.сек. Определим, что А_сек = 50 Эрл.

Рисунок 3.5 – Зависимость допустимой нагрузки в секторе от числа каналов трафика и вероятности блокировки

Число абонентов, которое будет обслуживаться одной eNB, определяется по формуле:
(3.6)
где A₁ – средняя по всем видам трафика абонентская нагрузка от одного абонента; значение A₁ может составлять (0,04…0,2) Эрл. Так как проектируемая сеть планируется использоваться для высокоскоростного обмена информацией, то значение A₁ примем равным 0,2 Эрл. Таким образом:

Число базовых станций eNB в проектируемой сети LTE найдем по формуле:

(3.7)

где N_аб – количество потенциальных абонентов. Количество потенциальных абонентов определим как 20% от общего числа жителей. Общее число жителей района составляет 24500 человек. Таким образом, количество потенциальных абонентов составит 4900 человек, тогда:

Среднюю планируемую пропускную способность R_N проектируемой сети определим путем умножения количества eNB на среднюю пропускную способность eNB. Формула примет вид:

, (3.8)

R_N = (102,9 + 54,87) · 7 ? 1104,39 (Мбит/с).

Далее дадим проверочную оценку емкости проектируемой сети и сравним с рассчитанной. Определим усредненный трафик одного абонента в ЧНН:

, (3.9)

где Т_т – средний трафик одного абонента в месяц, Т_т = 30 Гбайт/мес;

q – коэффициент для сельской местности, q = 2;

N_ЧНН – число ЧНН в день, N_ЧНН = 7;

N_д – число дней в месяце, N_д = 30.

(Мбит/с)

Определим общий трафик проектируемой сети в ЧНН R_{общ./ЧНН} по формуле:

R_{общ./ЧНН} = R_т.ЧНН · N_акт.аб , (3.10)

где N_акт.аб – число активных абонентов в сети; определим число активных абонентов в сети как 80% от общего числа потенциальных абонентов N_аб, то есть N_акт.аб = 3920 абонентов.

R_{общ./ЧНН} = 0,28 · 3920 = 1097,6 (Мбит/с).

Таким образом, R_N > R_{общ./ЧНН}. Это условие показывает, что проектируемая сеть не будет подвергаться перегрузкам в ЧНН.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общая информация о проекте

Главной целью данного проекта является усовершенствование существующей системы Car PC в направлении телекоммуникаций, и продвижение на рынке Республики Казахстан.

Основой экономической эффективности введения системы является возможность соединить все дополнительные устройства устанавливаемые в автомобиле в одно целое, низкая стоимость, по сравнению с приобретением по отдельности, широкие функциональные возможности, безграничная возможность усовершенствования, все это делает данную систему одной из самых перспективных.

Основными целями являются:

- создание нового вида бизнеса на территории Республики Казахстан;

- внедрение и продвижение нового продукта на рынке.