Введение

Связь ̶ одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества. Этому способствуют постоянный рост спроса на услуги связи и информацию, а также достижения научно-технического прогресса в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. В активно разрабатываемой МСЭ (Международный Союз Электросвязи) концепции универсальной персональной связи большое место отводится сетям подвижной связи (СПС).

В настоящее время во многих странах ведется интенсивное внедрение сотовых СПС, сетей персонального радиовызова и систем спутниковой связи, а так же их реконструкция. Такие сети предназначены для передачи данных (ПД) и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию и многое другое. Увеличение объема информации потребует сокращения времени ее передачи и получения. Поэтому сейчас наблюдается устойчивый рост производства мобильных средств радиосвязи (пейджеров, сотовых радиотелефонов, спутниковых пользовательских терминалов).

Преимущества СПС состоят в следующем: подвижная связь позволяет абоненту получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей, благодаря прогрессу в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (AT), сопрягаемые с персональным компьютером (ПК) и имеющие интерфейсы для подключения к СПС всех действующих стандартов. Сети подвижной связи можно разделить на следующие классы: сети сотовой подвижной связи (ССПС), сети транкинговой связи (СТС), сети персонального радиовызова (СПР), сети персональной спутниковой (мобильной) связи.

Сети подвижной связи созданы с целью максимального удовлетворения на современном мировом уровне потребностей абонентов в услугах связи с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования (ТфОП).

Среди современных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются сети сотовой радиотелефонной связи. Их внедрение позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания делится на ячейки (соты).

Система сотовой связи ̶ это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Она может обеспечивать передачу речи и других видов информации, в частности факсимильных сообщений и компьютерных данных. Для передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двухсторонняя и многосторонняя телефонная связь (конференцсвязь - с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного телефонного разговора возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации (условной или безусловной) вызова и другие дополнительные виды обслуживания.

Использование современной технологии позволяет обеспечить абонентам таких сетей высокое качество речевых сообщений, надежность и конфиденциальность связи, миниатюрность радиотелефонов, защиту от несанкционированного доступа (НСД) в сеть.

Мобильные Теле Системы «МТС» это  российская телекоммуникационная компания, оказывающая услуги в России и странах СНГ под торговой маркой «МТС». Компания оказывает услуги сотовой связи (в стандартах GSM, UMTS (3G и LTE), услуги проводной телефонной связи, широкополосного доступа в интернет, мобильного телевидения, кабельного телевидения, цифрового телевидения и сопутствующие услуги, в частности услуги по продаже контента. По состоянию на 31 марта 2011 года компания во всех странах своего присутствия обслуживала более 103 млн абонентов.

Целью данного проекта является реконструкция фрагмента сети СПС на базовом оборудования стандарта GSM-1800, в железнодорожном районе.

1 Характеристика фрагмента СПС

1.1 Характеристика района

1.1.1 Железнодорожный район города Екатеринбурга  ̶ один из семи административных районов города. Располагается в северо-западной части Екатеринбурга.

Планировка центральной части нынешнего Железнодорожного района Екатеринбурга была определена «генеральным планом» города, составленным еще в 1845 году. Его реализация в основном была завершена к 1910 году. А начиналась она с той поры, как на реке Мельковке появилась и заработала золотопромывочная фабрика.

1.1.2 Дальнейшим своим развитием район обязан строительству рельсовой линии «Екатеринбург  ̶  Нижний Тагил  ̶  Кушва  ̶ Чусовская  ̶ Пермь». Екатеринбург, оказавшись конечным пунктом железной дороги в юго-восточном направлении, стал связующим звеном зауральских районов и Сибири с Уралом и Европейской Россией. Железная дорога закрепила и расширила его роль как сборного и распределительного пункта сельскохозяйственной и горнозаводской продукции. Здесь были построены вокзал в русском историческом стиле (воинский вокзал) и паровозное депо.

Главной улицей района является улица Свердлова, застроенная в 1953—1960, внесенная в число объектов культурного наследия Железнодорожного района.

Территория Железнодорожного района составляет 126,3 км² с населением 137,4 тыс. человек. В состав района входят 4 отдалённых посёлка: Северка, Шувакиш, Семь Ключей, Палкино, имеющие каждый свою историю. Палкино, например, по возрасту гораздо старше не только района, но и города: как Палкино известен со второй половины XVI века, и значительно старше — как место заселения племён гамаюнской культуры.

В районе активно ведется жилищное строительство. В 2008 году было сдано в эксплуатацию свыше 111 тыс. м² жилья, в том числе 9,5 тыс. м² — индивидуальное. Большая часть нового жилья расположена в микрорайоне Сортировки. В последние годы в районе сносятся ветхие и аварийные строения.

1.2 Характеристика фрагмента сети сотовой связи

1.2.1 Эволюция телефонной сети города складывается таким образом, что практически все устаревшие как морально, так и физически станции были заменены современными автоматическими телефонными станциями.

Все операторы мобильной связи, работающие на территории Свердловской области, являются клиентами Екатеринбургского филиала ОАО «Ростелеком». Они получают целый комплекс услуг, и пользуются сетями связи филиала. «Ростелеком» ̶ это системообразующая телекоммуникационная компания, своеобразный «оператор для операторов».

Структурная схема существующей сети в Железнодорожном районе приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема существующей ТфОП

В Железнодорожном районе услуги мобильной связи предоставляют несколько операторов такие как, «Мегафон», «Билайн», «МТС», «Utel», «Мотив», работающие на оборудовании различных производителей.

Компания Сотовой Связи МТС (Мобильные Теле Системы) - оператор сотовой связи, предоставляет услуги сотовой радиотелефонной связи на территории Свердловской области в двух стандартах: с 1996 г. До 2002г. ̶ стандарта AMPS/D-AMPS ̶ 800; с 2002 г. по настоящее время ̶ стандарта GSM ̶ 900/1800.

Приоритетом компании является высокий уровень качества связи и обслуживания абонентов. Сотовая Связь МТС стремится предоставлять услуги связи на высоком уровне качества с максимально широкими возможностями для абонентов. В основе этого лежит постоянное расширение технологических возможностей. Компания стремится быть лидером:

в предоставлении высококачественного обслуживания, удовлетворяющего потребности и ожидания клиентов;

по введению широкого спектра новых услуг с минимальным временем выхода на рынок и отвечающим потребностям клиентов.

На сегодняшний день компания по праву является лидером сотового рынка Свердловской области — и это на фоне сложнейшей конкурентной ситуации. Инфраструктура, созданная для сотовой связи, стала основой для предложения других телекоммуникационных услуг.

Компания уделяет особое внимание качеству внедрения, поддержки и улучшения дополнительных услуг для различных сегментов рынка.

Обоснование применения СПС

1.3.1 Наибольшее распространение в Екатеринбурге получил стандарт GSM 900/1800. В данном стандарте работают следующие операторы: Мегафон, Билайн, МТС, Ute-1,Мотив. На данный период времени в России нет конкурентов сотовой связи стандарта GSM 900/1800, так как только этот стандарт широко развивается в нашей стране.

Стандарт GSM относится к новому - второму поколению сотовой связи, основанному на цифровой технологии, использующей временное разделение каналов - TDMA. Это позволяет реализовать ряд преимуществ по отношению к аналоговым стандартам первого поколения NMT-450 и AMPS, а также его цифрового варианта DAMPS (IS 54), который принят в 14 странах, включая Россию, для построения сетей сотовой связи.

Преимущества GSM очевидны, так как значительно снижают вредное биологическое воздействие высокочастотного излучения на организм человека.

Кроме того, высокие энергетические характеристики канала связи GSM позволяют увеличить качество связи и время непрерывной работы ручных радиотелефонов с одним источником питания.

Однако не только эти особенности стандарта GSM сделали его "глобальным", признанным лидером сотовой связи на

всех континентах, включая Америку. Он обладает рядом услуг связи, которые не реализованы в других стандартах сотовой связи.

К ним относятся: использование SIM-карт для доступа к каналу и услугам связи; закрытый для подслушивания радиоинтерфейс; шифрование передаваемых сообщений; аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам; использование службы коротких сообщений; автоматический роуминг абонентов различных сетей GSM.

Одним из ключевых моментов в организации связи стандарта GSM является использование модуля подлинности абонента (SIM-карты), практически закрывающего дорогу любым мошенничествам на сетях связи.

Модуль оформлен в виде банковской карточки и содержит в памяти все необходимые данные, связанные с полномочиями абонента и предоставляемыми ему услугами связи.

С абонентской станцией поступают так же как с банкоматом: пока в станции нет карты - услуги связи не предоставляются. SIM-карта позволяет абоненту пользоваться любой станцией стандарта GSM, например, установленной в такси, поезде или в телефонной будке. Использование SIM-карт позволило исключить «двойников» на сетях связи стандарта GSM.

В стандарте GSM используется устройство, исключающее случайное или специальное подслушивание переговоров абонентов - закрытый радио интерфейс речевых сообщений и данных осуществляется пакетами в сложной структуре временных (TDMA) кадров. На одной и той же рабочей частоте могут одновременно «разговаривать» восемь пар абонентов. Доступ абонентских станций к каналу связи без SIM-карт и полномочий, предоставляемых сетью, исключается.

Полная гарантия безопасности связи обеспечивается в стандарте GSM шифрованием передаваемых сообщений по методу с «открытым ключом».

«Служба коротких сообщений» очень напоминает широко известную службу пейджинга - персонального радиовызова.

В рамках этой услуги связи абоненты могут обмениваться буквенно-цифровыми и текстовыми сообщениями в объеме до 160 знаков. Передача коротких сообщений может быть использована в чрезвычайных ситуациях или в случае перегрузки каналов речевой связи.

Разработчики стандарта GSM ставили перед собой задачу устранить недостатки действующих стандартов сотовой связи, главным из которых было отсутствие взаимодействия сетей между собой в разных странах.

Использование автоматического роуминга ("блуждания") абонентов применяемого в стандарте GSM позволило снять ограничения на предоставление услуг подвижной связи в рамках одной сети.

Так как оборудование общеевропейского цифрового стандарта GSM отвечает самым современным требованиям, и этот стандарт принят многими странами мира, было решено на его основе строить федеральную цифровую сотовую сеть России.

1.3.2 В данное время на мировом рынке существует большое количество производителей оборудования систем подвижной связи, в России большое распространение получили следующие производители: Huawei (Китай), Ericsson (Швеция), Motorola (США), Alcatel (Франция), Siemens (Германия), Nokia (Финляндия).

В качестве поставщика оборудования выберем компанию Ericsson. Данная компания предлагает своим заказчикам во всем мире весь спектр оборудования для стандарта GSM: мобильные станции (МС), базовые станции(ВТ8), контролеры базовых станций (BSC), транскодеры (TRC), коммутационное оборудование (MSC).

Перечисленное оборудование разработано для предоставления качественных услуг связи и минимума прерывания в работе, также для облегчения дальнейшего развития сотовой сети и дополнительных услуг.

К основным функциям данного оборудования относится: обслуживания входящих и исходящих вызовов, передача коротких сообщений (SMS), передача мульти сообщений (MMS), передача данных (GPRS), высокоскоростное передача данных (EDGE), определение месторасположения абонента, перескок частот и динамическое изменение рабочего диапазона, контроль за передвижение мобильной станции.

На рисунке 1.2. изображена структурная схема GSM сети.

Рисунок 1.2. – Структурная схема GSM сети

Как видно из схемы, основу сети составляют базовые станции, подключенные проводными, оптическими или радио каналами связи к центральной станции.

Наиболее распространенными базовыми станциями являются базовые станции линейки RBS-2000. Приведем технические характеристики RBS 2302 и RBS 2206.

Основные характеристики RBS 2302 - микросотовая базовая станция RBS 2302 стандарта GSM (диапазон частот 900/1800 МГц) в составе с 2 трансиверами (TRU), может применяется в качестве наружной (outdoor) или внутренней (indoor) базовой станции.

Данная модель базовой станции поддерживает такие GSM- сервисы как: GPRS, HSCSD, 14.4 кбит/с.

RBS 2206 размещается внутри зданий и поддерживает до двенадцати трансиверов на один шкаф. Она может быть сконфигурирована с одним, двумя или тремя секторами в одном шкафу.

RBS 2206 поддерживает повышенные скорости передачи данных для системы EDGE. Основные характеристики:

- полная поддержка режима передачи данных: 14,4 кбит/с, HSCSD, GPRS;

- поддержка EDGE на 12 трансиверов во всех временных интервалах;

- поддержка всех речевых кодеков: HR, FR и EFR;

- расширенный радиус действия - 121 км;

- поддержка программно задаваемого увеличения мощности;

- четыре порта передачи, поддерживающие скорость до 8 Мбит/с. рхитектура базовой станции RBS 2206

Базовая станция RBS 2206 состоит из следующих основных сменных блоков:

- Блок коммутатора-распределителя сигналов (DXU: Distribution Switch Unit)

- блок приёмопередатчика на 2 рабочие частоты (dTRU: Double Transceiver Unit)

- блок объединения и распределения сигналов (CDU: Combining and Distribution Unit)

- блок питания (PSU: Power Supply Unit)

- блок аккумуляторных батарей и предохранителей (BFU: Battery Fuse Unit)

- стойка базовой станции RBS 2206 предназначена для установки внутри помещений;

- вмещает до 6 блоков dTRU (12 приёмопередатчиков TRX);

- поддерживает одно-, двух- или трёх-секторную конфигурацию.

В дипломном проекте предусматривается установка станции RBS 2206.

1.3.3 Базовая станция БС-127 включает в себя набор приемопередатчиков, цифровые процессоры, размещаемые в составе устройств базовой станции, коммутационные шины различного назначения и связывается с центром коммутации подвижной связи (MSC - Mobile Switching Centre) радиорелейной линией связи, так как была установлена за долго до начала застройки данного района.

В существующих мобильных сетях, как правило, покрытие удовлетворительно. Абонентская же нагрузка постоянно растёт, увеличивая, тем самым, потребность в дополнительных частотах для расширения пропускной способности сетей.

Помимо этого, введение новых технологий мобильной связи, таких как GPRS (General Packet Radio Service - сети с пакетной передачей данных) требует достаточно большого радиочастотного ресурса, а, следовательно, большего количества базовых станций.

Но, на данный момент, как в России, так и за рубежом, среди операторов подвижной радиосвязи частоты в диапазоне 900 МГц уже поделены, приобретаются лицензии на частоты диапазона 1800 МГц.

На фоне последнего, структура сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM усложняется: появляются многослойные иерархические сети, работающие как в одном частотном диапазоне 900 или 1800 МГц, так и в смешанных диапазонах частот, которым свойственны как макро соты, так и микро соты, а в некоторых случаях пико соты.

Схема реализации базовой станции изображена на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 – схема реализации базовой станции

Когда сотовая сеть достаточное время эксплуатируется, и мы имеем дело с опытным оператором, количество абонентов непрерывно увеличивается. Наступает такой момент, когда в отдельных сотах в час наибольшей нагрузки появляется скопление подвижных абонентов, нагрузка на базовую станцию максимальна, и она не справляется со всем объемом поступающих вызовов - возникает перегрузка. Абонентам поступают отказы в обслуживании. Перегрузка сотовой сети - возникает при нехватке ресурсов системы.

На данном этапе развития компании большое внимание уделяется улучшение качества обслуживания, ведется контроль каждой БС, учитываются все показатели качества работы сети, распределение абонентской нагрузки. Существует несколько районов, где нагрузка на БС превосходит планируемую, в связи с этим появляется необходимость ставить дополнительные БС для распределения нагрузки, либо реконструкцию существующих БС. Это позволяет улучшить качество обслуживания, и уменьшить количество отказов.

В связи с тем, что с каждым годом растет количество абонентов сети СПС, требуется увеличить емкость сети, и соединить базовую станцию БС-127 с центром коммутации MSC оптоволоконной линией в связи.

В рассматриваемом районе СПС не на всех участках обеспечена устойчивая связь. В частности в районе железнодорожной станции Свердловск Пассажирский имеет место большое скопление абонентов и в ЧНН ресурсов имеющихся базовых станций не достаточно. Поэтому их число требуется увеличить. Рассмотрим вопрос расширения фрагмента СПС в этом районе подробнее.

2 Разработка схемы организации СПС

2.1 Разработка технических требований к сети

2.1.1 В начале планирования любой сети оператор выдвигает требования, которые ложатся в основу проекта: предполагаемое число абонентов, требуемая зона покрытия, качество связи, рекомендуемые места для инсталляции базовых станций.

Также необходимо учитывать внешние условия: рельеф и климатические условия, информация о населении, выделенный диапазон частот, ограничения частотного регулирования и так далее.

В задачи планировщика входят: сбор информации, инженерные изыскания и выбор потенциальных мест для размещения БС, проведение и оценка полевых измерений, план и анализ сети, планирование соединительных линий. Результатом труда планировщика является план сети, который включает: количество и конфигурация БС, определение типов антенн, топология сети, количество соединительных линий, частотный план, стратегия развития сети.

2.1.2 В данном проекте используется сеть стандарта gsm 1800, выбор данной частоты основывается исходя из практики многих сотовых компаний на первоначально стадии эксплуатации сети.

Функциональная схема работы РОРС GSM изображена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Функциональная схема работы сети РОРС GSM

Основной задачей расчета является определение необходимого количества приемопередатчиков в каждой соте.

Исходные данные:

допустимый процент блокировок вызовов в сети базовых станций (5%);

число абонентов и величина трафика в сети;

выделенный частотный спектр (2 диапазона 1800 МГц);

удельная нагрузка одного абонента в ЧИН (0,01 Эрланг).

Нагрузка сети:

Gj=gxN_J, (2.1)

где g ̶ удельная нагрузка на одного абонента;

Nj ̶ число абонентов.

Учитывая запас на хэндовер, нагрузка в сети увеличивается на 10%. С помощью формулы Эрланга для полнодоступных пучков при заданной нагрузке и вероятности блокировки определяется число каналов трафика:

. (2.2)

Число приемопередатчиков определяется исходя из временных интервалов на несущей частоте и числа выделенных каналов управления округлением вверх до ближайшего целого числа. Поскольку по одному тайм слоту из восьми выделяется под каналы ВССН и SDCCH, то затраты на управление составляют 20 %

, (2.3)

где N^TCH – число каналов трафика;

N^CCH ̶ число каналов управления

N^TDMA ̶ число временных интервалов в кадре TDMA

Результаты расчётов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты расчётов

Параметр	Значение
Число абонентов, чел.	1500
Нагрузка в сети, Эрланг	15
Нагрузка в сети с учетом запаса на хэндовер, Эрланг	16,5
Число каналов трафика	20
Число каналов управления	4
Число приемопередатчиков	3

Определение радиуса соты. Площадь географической области, где устанавливается проектируемая система, равномерно делится на круговые подобласти как:

_{, (2.4)}

где N_6c ̶ количество сот;

Б_обл ̶ площадь географической области.

S_nodo6jl ̶ определяет площадь шестигранника, аппроксимирующего отдельно взятую соту. Радиус описанной окружности этого шестигранника определяется выражением:

. (2.5)

Результаты расчетов приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты расчётов

Площадь географической области, км^2	Число сот	Площадь подобласти, км^2	Средний радиус соты, м
4,82	1	4,82	1362

2.2 Разработка схемы размещения базовой станции по территории

2.2.1 В сетях мобильной связи задача планирования размещения базовых станций по территории решается в условиях высокой сложности распространения радиоволн и мобильности абонентов. Также необходимо учитывать особенности рельефа, уровня застройки и распределения абонентского трафика. Ключевые параметры на этой стадии планирования:

- количество БС, необходимых для обеспечения трафика;

- количество БС, необходимых для обеспечения покрытия;

- предполагаемая топология сети;

Первый шаг в территориальном планировании определение границ предполагаемой зоны покрытия. Далее вся эта территория разбивается на шестиугольники, имитирующие зоны покрытия отдельных базовых станций. Размер соты зависит от используемого диапазона частот, окружающей среды, рассчитанного плана распространения радиоволн, типа антенны, места расположения антенны, минимально допустимого уровня сигнала в соте.

Полученная ячеистая структура корректируется по исходным данным о рельефе, урбанизации и распределении трафика. При этом могут размеры каждой соты могут измениться по сравнению с первоначальными. Предварительно наметив зоны расположения базовых станций, по цифровой карте местности надо определить конкретные координаты. При выборе места расположения сайта надо помнить следующее:

правильный выбор места для расположения сайта определяет полезность базовой станции

стоимость оборудования и сайта высокая и относятся к долгосрочным инвестициям

для организации сети необходимо большое количество сайтов. Критерии выбора места сайта:

- хорошая видимость в сторону главного лепестка

- отсутствие вокруг высоких преград

- хороший обзор местности

- удобное место для расположения антенн

- линия прямой видимости до следующего сайта (для PPЛ)

- небольшие длины фидера и кабелей

Как правило, сама станция располагается либо на верхнем этаже, либо в чердачном помещении (в отдельных случаях в специальном контейнере на крыше) с целью уменьшения длины фидера. В отдельных случаях, когда по

каким-либо причинам невозможно использование высотных зданий или необходимо увеличить эффективную высоту подвеса антенн, приходится строить специальные мачты и располагать антенны на них. В условиях города, где зона покрытия отдельной БС невелика, высоты антенн не должны быть слишком большими, в противном случае данная базовая станция будет создавать значительные интерференционные помехи другим станциям. В пригороде и сельской местности наоборот необходимо увеличивать высоту подвеса антенн.

Два важных параметра: мощность передатчика базовой станции и расстояние от базовых станций до контроллера. Мощность передатчика с одной стороны должна быть достаточно высокой для обеспечения требуемого покрытия, а с другой стороны достаточно низкой, чтобы не создавать помех другим станциям.

Расстояние между БС и контроллером важно с точки зрения прокладки трассы. Для их связи обычно применяют радиорелейные, оптоволоконные или проводные линии. Радиорелейная связь возможна только на расстоянии прямой видимости, зависит от погодных условий и трудно организуема для длинных пролетов. Но при этом имеет достаточно большую емкость, невысокую стоимость в эксплуатации, легка в установке.

В нашем случае БС станция соединена с контроллером радиорелейной линией связи, в связи с масштабной застройкой данного района высотными домами и высокими требованиями к качеству связи требуется заменить это соединение оптоволоконной линией.

2.2.2 Также на этом этапе определяется типы антенн базовых станций: либо это направленные антенны (секторизованная сота), либо антенны с круговой диаграммой направленности. В первом случае необходимо задать количество и азимуты направления секторов. Применение направленных антенн, помимо возможности увеличения емкости, выгодно еще и в том плане, что позволяет строить более гибкую сеть. Антенны с круговой диаграммой направленности целесообразны, когда важнее добиться большой зоны обслуживания.

В нашем случае будут использоваться направленные антенны с шириной диаграммы излучения в горизонтальной плоскости 120°.

Они применяются на территориях с низкой плотностью населения. Особое внимание при территориальном планировании уделяется таким специфическим участкам как туннели и дороги, направление антенн должно соответствовать ориентации туннелей.

Для снижения уровня помех и более частого использования частот применяют секториальное деление. Для этого используются антенны с секторной диаграммой направленности. В качестве производителя выберем компанию KATHREIN WERKE KG (Германия). Компания является мировым лидером в производстве базовых антенн подвижной связи с объемом месячным объемом производства более 20 ООО штук в месяц. Более 140 операторов связи во всем мире используют продукцию компании. Спектр производимой продукции компании охватывает диапазон частот от 25 до 3800 МГц и включает в себя направленные и всенаправленные антенны изготовленные под индивидуальные требования, а также специальный класс антенн для использования на транспорте. Только в диапазоне 790-1900 МГц производятся более 250 типов антенн. Антенны производства KATHREIN отличаются не только исключительными электрическими характеристиками.

Особое внимание уделяется механическим характеристикам антенн. Вся продукция разрабатывается в соответствии с Европейскими Стандартами ETS (ETS 300 019-1-0) и не только соответствует последнему на 100 %, но и превосходит его по некоторым позициям. Антенны отгружаются Заказчику только после проведения необходимых тестов по КСВ, интермодуляции и развязке. Тестирование проходит каждая антенна. Результатом является более чем 15 летний безаварийный эксплуатационный срок службы антенн, что подтверждено 40 летним опытом KATHREIN в производстве антенн. Цикл производства компании KATHREIN обеспечивает не более 0.05 % отказов/брака от общего количества произведенных антенн.

2.2.3 Наиболее распространённые типы антенн ̶ 741444 и 742215. Ниже приведем сравнительную характеристику данных антенн. Тип применяемых антенн 741444 фирмы Kathrein в диапазоне 1800 МГц. Характеристики антенн предоставлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Характеристики антенн

Характеристики/тип антенны	741444	742215
Частотный диапазон, МГц	1710-1990	1710-1880
Поляризация, град	+45, -45	+45, -46
Ширина лепестка в вертикальной плоскости, град	7	10
Ширина лепестка в горизонтальной плоскости, град	65	68
Максимальная мощность, Вт	200	200
Сопротивление, Ом	50	50
Длина, мм	1302	1314
Ширина, мм	155	155
Толщина, мм	49	70
Максимально выдерживаемая ветровая нагрузка, км/ч	200	200
Вес, кг	6	6,2
Элементы крепления	алюминий и нержавеющая сталь	алюминий и нержавеющая сталь

В дипломном проекте используется тип применяемых антенн 741444 фирмы Kathrein в диапазоне 1800 МГц.

Антенна типа Kathrein 741444 изображена на рисунке 2.1.

Диаграмма направленности антенны приведена на рисунке 2.2 и 2.3.

Рисунок 2.1 ̶ Антенна Kathrein 741444

Рисунок 2.1 ̶ Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости

Рисунок 2.2 ̶ Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости

Радиочастотный коаксиальный кабель LDF5 ̶ 50A фирмы Andrew используется для подключения антенны к устройству (БС).

Длина антенных кабелей определяется расстоянием от радиомодуля до антенны. В данном проекте длина кабеля составляет 60 метров. Кабель состоит из центрального медного проводника в виде трубки, диэлектрика из вспененного полиэтилена, обеспечивающие малые потери.

Результатом такой конструкции являются малые потери, высокий коэффициент передаваемой мощности. Внешний гофрированный проводник предотвращает случайное отсоединение разъёма, а также обеспечивает большую гибкость, облегчающую установку и протяжку кабеля в стеснённых условиях. Характеристики кабеля представлены ниже:

- марка кабеля ̶ LDF5-50A фирмы Andrew.

- внешний диаметр ̶ 50,5 мм

- затухание ̶ 2,3Здб/ 100м

- изолятор ̶ пенистый полиэтилен

- условия инсталляции – от минус 40 до плюс 60 ̊С.

Схема организации связи представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 ̶ Схема организации связи

2.3 Разработка схемы присоединения базовых станций к центральной

2.3.1 Центр коммутации подвижной связи MSC выполняет функции коммутации, необходимые для подвижного абонента, находящегося в зоне MSC. MSC устанавливает соединение к подвижному абоненту и от него, а также оказывает соответствующие услуги по доставке информации, предоставлению связи и дополнительные услуги.

- MSC устанавливает соединения:

- между радиосистемой сети GSM и ТфОП;

- между радиосистемой сети GSM и другими сетями подвижной радиосвязи;

- внутри радиосистемы сети GSM ̶ между подвижными абонентами.

На рисунке 2.4 изображён используемый кабель.

Рисунок 2.4 ̶ Тип кабеля Andrew LDF5-50A

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN (ISDN ̶ цифровые сети с интеграцией служб) и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (телефонными сетями общего пользования - ТфОП, сетями пакетной передачи данных, цифровыми сетями с интеграцией служб и так далее) и сетью подвижной связи. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутацион­ной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов, управления мобильностью и другие. К ним относятся «эстафетная передача обслуживания» (или «handover»), в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны. MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу ОКС № 7 и другие виды интерфейсов в соответствии с функциями конкретной сети.

MSC обрабатывает и формирует данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчётов (биллинг-центр) для последующего формирования счетов за предоставленные сетью услуги связи. MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступа к радиоканалам. MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи обслуживания.

Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи обслуживания позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC — Base Station Controller), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи обслуживания между сетями (контроллерами), относящими к разным MSC.

Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями пользуя HLR и VLR. В HLR хранится та часть информации о местоположении подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции.

2.3.2 Схема присоединения базовой станции к центральной представлена на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 – Схема присоединения БС к MS

3 Определение технических характеристик системы

3.1 Частотное планирование

3.1.1 На этом этапе инженеру приходится сталкиваться со следующими сложностями:

- реальные размеры сот и их взаимное расположение отличается от идеализированной сотовой структуры, состоящей из правильных шестиугольников;

- нехватка частот в диапазоне 1800 МГц. Число каналов в стандарте GSM 1800, которые делятся между операторами региона, 374. При этом число приемопередатчиков в сети может быть порядка нескольких сотен. Увеличение емкости сети может происходить либо за счет привлечения дополнительных радио ресурсов, либо за счет более;

- частого повторного использования имеющихся;

- жесткие требования по интерференции (отношение сигнал/шум должно быть не ниже 9 дБ на всей зоне покрытия), которые ограничивают частоту переиспользования частот.

Поэтому главное условие при назначении частот - создание частотного плана, при котором суммарная интерференция будет наименьшая. При частотном планировании предполагают наихудшие ситуации: максимальная нагрузка на сеть, концентрация абонентов, максимальная излучаемая мощность и так далее, это создает дополнительные сложности в планировании, зато дает гарантию, что сеть будет работать нормально в реальных неблагоприятных условиях.

3.1.2 В стандарте GSM наиболее широкое распространение получили соты с тремя секторами. При проектировании рекомендуется использовать модель повторного использования частот, при которой кластер состоит из трех сот, каждая их них в свою очередь из трех секторов. Все доступные частоты разбиваются на три главные группы А, В, С, каждая из которых состоит из трех подгрупп Al, А2, A3, Bl, B2, ВЗ и CI, С2, СЗ. В итоге получается девять групп частот. После этого создается таблица частот, число столбцов которой определяется числом ячеек в кластере.

Увеличение числа элементов в кластере выгодно в отношении снижения уровня соканальных помех, но приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот. Пример частотного плана приведён в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Пример таблицы частотного плана

Подгруппа	А1	В1	С1	А2	В2	С2	A3	ВЗ	СЗ
Частота	1	2	3	4	5	6	7	8	9

3.1.3 Таким образом, каждому сектору должен быть присвоен свой набор частот. Количество частот на ячейку (сектор) определяется требованием по загрузке речевым трафиком. Каналы должны назначаться согласно таблице частотного плана, при этом в пределах одного кластера не должны встречаться частоты одного номинала. Основной трудностью частотного планирования является использование ограниченного количества выделенных частот, поэтому в настоящее время при проектировании сетей сотовой связи в каждом конкретном случае должен проводится анализ общей радио обстановки и электромагнитной совместимости в районе их развертывания и возможности выделения для этих сетей необходимых частот в их рабочем диапазоне. Пример модели сотовой сети с равномерной структурой с девяти групповым частотным планом приведен на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Модель повторного использования частот в трехсекторных сотах

3.2 Определение ожидаемой дальности связи

3.2.1 Моделирование условий распространения. Для радиотелефонных систем связи с подвижными объектами характерна не стационарность характеристик каналов. Это главным образом определяется тем, что место­положение подвижной станции относительно базовых меняется случайно. Следовательно, при перемещении абонента в зоне обслуживания сети характеристики канала связи подвержены случайному изменению. При проектировании и исследовании радиотелефонных сетей наибольший интерес представляют следующие основные характеристики радиоканала: затухание радиосигнала (дБ), уровень мощности сигнала (дБм) и отношение сигнал-шум (дБ) на входе приемника радиостанции. Поскольку передача информации по каналам управления осуществляется цифровым способом, то не меньший интерес представляет такая характеристика, как вероятность ошибки в символе при приеме цифровой информации.

На начальном этапе планирования определяется модель распространения радиоволн, с помощью которой можно рассчитать такие параметры как потери на трассе сигнала, мощность в приемнике мобильных и базовых станций, напряженность поля в разных точках планируемой зоны обслуживания. В дальнейшем с учетом этих параметров будет определяться топологическая структура сети базовых станций и зона покрытия. В зависимости от выбранной модели и ее точности будет зависеть все качество планирования.

Основной целью модели является определение среднего значения потерь в канале радиосвязи.

Существует несколько моделей распространения радиоволн:

Модель Хаты. Область частот: 100-3000 МГц; высоты антенн БС: 30-300м,

AC: 1-3 м; расстояние между БС и АС: 1-100 км; плотность городской застройки: 3-50 % (наиболее вероятное значение 15,85 %); рельеф местности: село, пригород и город; степень урбанизации: 0-1 (средний город и крупный город).

Модель Окамуры. Область частот- 100-13000 МГц; высоты антенн БС: 20-1000м, АС: 1-10м; расстояние между БС и АС: от1 до 100км рельеф местности: пригород, средний город, крупный город (мегаполис); модель базируется на большом объеме экспериментальных графиков зависимости медианного значения L0, от данных, являющимися исходными для проектирования ССС .

Модель Парсонса. Область частот: 150... 1000 МГц; высоты антенн БС: 30-300 м, АС: <3 м; расстояние между БС и АС: <10км; плотность городской застройки: 3-50 %; степень урбанизации: 0-100 % (средний и крупный город).

Модель Уолфиша-Икегами. Область частот: 800-2000 МГц;; высоты антенн БС: 4-50 м, AC: 1-3 м; расстояние между БС и АС: 0,02-5км; высота близлежащих к БС зданий: 80 м; расстояние между домами: 20-50м; ширина улицы: 10-25 м; ориентация улицы относительно направления прихода сигнала: 0-90⁰ .

Модель Сакагами-Кубои. Область частот: 450-2200 МГц; разность высот антенн БС и АС: 20-100м; расстояние между БС и АС: 0,5-10км; средняя высота близлежащих к БС зданий: больше высоты антенны БС; средняя высота зданий вблизи АС: 5-50м; ориентация улицы относительно направления прихода сигнала: 0-90⁰.

Методика НИИР. Область частот: 30-1000 МГц; расстояние до точки приёма: 2-1000км; высота антенны в точке приёма: З-10м; неровность рельефа местности оценивается по топографической карте, плотность городской застройки: 0-45 %; область применения: проектирование сетей телевизионного и ЧМ вещания.

Методика ГСПИ (СПР «Алтай»). Область частот: 150-1000МГц; расстояние между БС и АС: 1-600 км; высота антенн БС: 50-600м; АС: 1,5 и 3 м (с поправками); тип местности село и город ( с поправками на неровность рельефа); процент мест, где обеспечивается заданное качество связи: 50-99 %; устойчивость связи: 50-99.9 %.

3.2.2 Современные городские районы характеризуются плотной застройкой местности зданиями и сооружениями, что является причиной быстрых (рэлеевских) замираний радиосигнала в канале связи. Для многих городов характерна также неоднородность уровня земли (наличие возвышенностей и впадин), что является следствием медленных замираний радиосигнала. Поэтому для нахождения величины затухания радиосигнала в заданной точке необходимо иметь подробную информацию о структуре данной местности. Даже при наличии такой информации, что не всегда возможно, требуется очень сложный анализ характера распространения радиоволн, учитывающий все факторы.

В условиях городской застройки местности затухание радиосигнала является случайной величиной и зависит от комплекса факторов, определяющих характер распространения радиоволн. К ним относятся:

- отражение сигнала от объектов, имеющих размеры, превосходящие длину радиоволны;

- дифракция радиоволн, для которой характерно преломление радиосигнала на пути распространения;

- рассеивание радиосигнала, которое происходит при наличии на местности большого числа объектов, размером меньше длины радиоволны (например, лиственные деревья);

- эффект Доплера, имеющий место при перемещении подвижного объекта.

Эти факторы в той или иной степени учитываются в модели Хаты, т.к. она базируется на экспериментальных данных, полученных Окамурой в реальных городских условиях. Модель Хаты наиболее точно описывает распространение радиоволн для городов.