Введение
Дисциплина «Технология беспроводной связи» является предметом вузовского компонента для студентов высших учебных заведений и включена в учебный план в качестве специальной дисциплины. Предназначена для обучения студентов принципам организации мобильной радиосвязи в сотовых системах стандартов GSM и CDMA, спутниковых и транкинговых телекоммуникационных системах; а также принципам построения систем передачи различных типов в телекоммуникационных системах, стандартам цифрового группообразования (PDH и SDH), синхронизации и управления в цифровых системах передачи. Для обеспечения передачи по первичной сети ВВС различных видов сигналов,: телефонных, телеграфных, факсмильных, передачи газет, передачи данных, телевизионного и звукового вещания, а также для автоматического управления процессами коммутации сигналов по тем или иным маршрутам, потребовалось дополнительное оборудование и дополнительные связи между различным станционным оборудованием. На базе первичной сети была создана вторичная сеть, позволяющая более гибко организовывать различные пути передачи сигналов.
Сотовая связь - один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).
Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.
В 1968 г. Y.Okumura была предложена эмпирическая модель распространения радиоволн, основанная на результатах измерений, проведенных в нескольких районах г. Токио (Япония). Первоначально модель представляла собой набор кривых распространения для различных частот излучения и типов местности. В 1980 г. M.Hata, исследуя модель Окумуры, аппроксимировал кривые распространения математическим выражением. Это выражение теперь известно как модель Окумура-Хата. Для инженерных расчетов покрытия БС международный союз электросвязи (МСЭ) рекомендует использовать в качестве одного из возможных методов аппроксимацию Окамуры – Хата.
В данной курсовой работе рассчитывается зона покрытия одной базовой станции двумя методами – методом Окамуры-Хата и методом Волфиша-Икегами. В ходе расчетов будет доказано, что разница в расчетах данными методами невелика.
1 Теоретическая часть
Сотовая связь
Сотовая связь в современном мире является наиболее распространенным видом беспроводной связи. Существует несколько стандартов, в соответствии с которыми функционируют системы сотовой связи. Но общий принцип работы сотового телефона не зависит от используемого стандарта. Для того чтобы воспользоваться услугами сотовой связи, необходимо иметь телефон, поддерживающий стандарты, и уникальный чип, приобретаемый у компании-оператора – SIM-карту. Вставив SIM-карту в гнездо мобильного телефона, нужно ввести необходимый PIN-код, тем самым активировав чип. Каждый раз при включении аппарат начинает сканировать пространство в поисках сети.
В случае если аппарату не удается найти сеть, он будет продолжать попытки сканирования и поиска. Когда телефон находит сеть, он передает свой абонентский IMSI-код на ближайшую базовую станцию.
Операторы сотовой связи строят сеть из базовых станций и продают абонентам возможность принять или совершить телефонный звонок в любое время и в любом месте, на которое распространяется действие сети. Каждая базовая станция обслуживает некоторую территорию. Ее размеры зависят от нескольких факторов, в том числе от рельефа местности. Для того чтобы при выходе с территории обслуживания базовой станции сигнал абонента не пропадал, сети строят с зонами перекрытия на их границах. Зоны перекрытия по своей структуре напоминают пчелиные соты, именно отсюда пошел термин "сотовая связь". Переключение "сотов" с одного на другой происходит автоматически и совершенно незаметно для абонента. На качестве связи переход никак не отражается. Используемые на базовых станциях передатчики производят радиосигналы малой мощности, однако "сотовый" подход позволяет охватить связью огромные территории.
Базовые станции
Базовая станция (BSS – Base Station System) является основным элементом сотовой сети. Основной функцией базовой станцией является прием и передача звонков абонентов сети оператора. Осуществление телефонной связи происходит по радиоканалу. При различных стандартах связи базовые станции работают на разных частотах.
Сеть одного оператора может поддерживать различные стандарты связи. Сети различных операторов объединены между собой, а также с сетью стационарной телефонной связи. Таким образом, абоненты одного операторы могут поддерживать связь с абонентами других операторов и городской телефонной сети.
В условиях городской застройки требуется больше базовых станций, чем за чертой города. Как правило, удаленность базовых станций друг от друга за городом составляет от 10 до 12 километров, а в городе – от 3 до 5 километров. В городских условиях базовые станции обычно устанавливают на крышах зданий, а за городом – на вышках. Базовые станции представляют собой закрытые контейнеры, связанные с центром управления (MSC – Mobile services Switching Center) через контроллер посредством кабеля или беспроводным способом. Обычно к одному контроллеру (LAC – Local Area Controller) подключают не более пятидесяти устройств. К центру управления (коммутатору), объединяющему несколько контроллеров, базовые станции постоянно передают информацию о входящих и исходящих вызовах.
Рисунок 1.1 – Базовая станция
Для стандарта GSM число приемо-передающих антенн, принадлежащих к одной базовой станции, обычно составляет от 1 до 12 штук. Они направлены в разные стороны – это помогает охватить связью большее число желающих. Существует специальный термин для обозначения антенны – сектор. В одном секторе может находиться не более четырех антенн. Антенны выглядят или в виде прямоугольных серых блоков, или в виде узких длинных цилиндров omni, похожих на палки. Прямоугольные панели обладают направленным излучением, а omni – круговым.
Рисунок 1.2 – Виды антенн
Принятый антенной сигнал проходит по кабелю в управляющий блок. Совокупность секторов и контроллера и принято называть базовой станцией. Стандартная трехсекторная базовая станция, работающая в режиме двух диапазонов, имеет возможность обслуживать единовременно до 150 абонентов. Небольшие сети стандарта GSM обслуживает один коммутатор. Но более крупные сети, число абонентов которых превышает миллион, имеют в своем составе несколько объединенных друг с другом коммутаторов. Сложность построения такой многоуровневой сети определяется необходимостью равномерного распределения нагрузки на управляющие узлы. На практике это означает, что при передвижении телефона из одного сектора в другой его переключением занимается управляющий блок базовой станции. Если телефон переходит с территории действия одной базовой станции на другую, то переключением занимается управляющий контроллер LAC.
Оператор сотовой сети также занимается и оказанием дополнительных услуг населению. Оператор составляет наборы из ряда основных и вспомогательных услуг. Эти наборы объединяются в тарифные планы. Абонент, подключаясь к оператору сотовой связи, выбирает подходящий тарифный план. Кроме того, он имеет возможность подключить любые дополнительные услуги. У каждого оператора имеется специальная программно-аппаратная система, которая учитывает все прошедшие разговоры и подключенные дополнительные услуги – биллинговая система. Одной из важных функций биллинговой системы является роуминг. Для удобства абонентов операторы заключают между собой договоры на обслуживание их абонентов вне зоны покрытия сети. Путешествуя по стране или миру, абоненты пользуются связью, предоставленной местными операторами. Но оплату они производят у своего оператора. Во время нахождения в зоне роуминга абонент по-прежнему пользуется своим сотовым телефоном. Он не переключается на другого оператора, может принимать и совершать звонки, короткие текстовые сообщения (SMS) и др. Все услуги в роуминге совершаются автоматически, включая обмен трафиком между операторами и привлечение дополнительных ресурсов других операторов.
Наибольшее распространение в мире получили стандарты связи GSM и CDMA. Первый из них является самым популярным. Стандарт GSM осуществляет передачу голоса на расстояние с очень высоким качеством, с отсутствием помех и без дублирования разговора. Кроме того, он защищает абонента от прослушивания телефона. Привлекательным для абонентов также является большое количество дополнительных сервисов и надстроек, обеспечивающих более высокую скорость передачи данных (GPRS, EDGE, EDGE, 3G). Производители выпускают подавляющее большинство моделей телефонов, поддерживающих этот стандарт связи. Стандарт CDMA, использующий технологию кодового разделения сигнала, также постоянно развивается. Он обладает возможностью передачи данных со скоростями, сравнимыми с проводным доступом в интернет, и соответствует требованиям 3G. У стандарта очень широкая полоса частот канала связи, а соответственно, и зона обслуживания. При передаче речи практически отсутствуют помехи и искажения, имеется высокая степень защиты от прослушивания. Излучаемая мощность абонентского аппарата связи намного ниже, чем у телефонов стандарта GSM – 250 мВт против 1Вт и 2 Вт у стандартов GSM-900 и GSM-1800 соответственно. Это может быть существенно для некоторых категорий абонентов, хотя мнение о вредном излучении аппаратов сотовой связи до конца не подтверждено, но и не опровергнуто.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ