Сотовая система связи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Рязанский государственный радиотехнический университет»

(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)

Кафедра РТУ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине:

«Сети и системы радиосвязи и средства их информационной защиты»

на тему:

«Сотовая система связи»

Выполнил: ст. гр.815

Тараскин А.С.

Проверил:

Паршин Ю. Н.

Рязань 2012 г.

Содержание

Техническое задание

Введение

. Основные параметры стандарта

. Структура сотовой сети связи

. Расчет основных параметров сотовой сети связи

расчет числа радиоканалов

определение размерности кластера

расчет числа радиоканалов, используемых одной БС

расчет допустимой телефонной нагрузки

расчет числа абонентов обслуживаемых одной БС

расчет количества базовых станций

- расчет радиуса зоны обслуживания базовой станции

расчет величины защитного расстояния

расчет Модели распространения радиоволн

расчет мощности передатчика БС

расчет эффективности использования радиоспектра

. Разработка частотно-территориального плана сети

. Заключение

Список использованной литературы

Приложение 1. Антенна 7745.00А

Введение

сотовый сеть станция абонент

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).

В 1982 г. Конференция европейских почт и телекоммуникаций (CEPT - Conference of European Post and Telecommunication) сформировала группу GSM (Group Special Mobile) для изучения и разработки европейской мобильной наземной системы. Предложенная система должна была соответствовать некоторым критериям:

)        хорошее субъективное качество речи;

)        низкая стоимость оконечных устройств и обслуживания;

)        поддержка международной подвижной связи;

)        способность обслуживать малогабаритные терминалы;

)        обеспечение диапазона новых услуг и средств;

)        эффективное использование радиодиапазона;

)        совместимость с ISDN.

В 1989 г. ответственность за разработку GSM была передана Европейскому институту стандартов в области телекоммуникаций (ETSI - European Telecommunication Standards Institute). Первые спецификации GSM были изданы в 1990 г. Коммерческая эксплуатация была начата в середине 1991 г., и к 1993 г. существовало 36 сетей GSM в 22 странах. Хотя GSM стандартизировано в Европе, это не только европейский стандарт. Сегодня работают более чем 200 сетей GSM (включая DCS-1800 и PCS-1900) в 110 странах во всем мире. В начале 1994 г. во всем мире было 1,3 миллиона абонентов. Сегодня эта цифра выросла до 70 миллионов. Северная Америка имеет разновидность GSM, названную PCS-1900. Системы GSM существуют теперь на каждом континенте, и сокращение "GSM" (Global System for Mobile Communications) теперь обозначает "Глобальная система для мобильной связи". Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции, он налаживает связь с другой (англ. handover). В соответствии с определением ITU-T (Международного союза электросвязи), телекоммуникационные услуги могут быть разделены на основные и дополнительные услуги. Основная услуга, поддерживаемая GSM, - телефонная связь. Речь закодирована в цифровой форме и передается через сеть GSM как цифровой поток. Существуют также экстренные службы, где, набирая три цифры (например 911), можно получить связь с ближайшим пунктом этой службы.

GSM предоставляет следующие услуги:

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.

Общие характеристики стандарта GSM-1900

"Глобальная система подвижной связи" - GSM является в настоящее время самым популярным и самым распространенным стандартом сотовой связи. Большинство стран земного шара приняли стандарт GSM диапазона 900 МГц к реализации или развивают его для построения таких сетей в диапазонах частот 1800 МГц - стандарт DCS 1800 в Европе, и 1900 МГц - стандарт PCS 1900 в США.

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.

Например, по данным одной из ведущих фирм-разработчиков оборудования и систем связи Ericsson для обеспечения одинаковой дальности связи мощность передатчика абонентской станции сети DAMPS должна быть в несколько раз больше, чем в GSM. Эти же соотношения относятся и для вероятности ошибки в канале связи. В реальных каналах связи при замираниях сигналов энергетические затраты в DAMPS выше на 6-10 дБ по отношению к GSM.

Мощность ручных абонентских радиотелефонов GSM составляет всего 100 и 250 мВт, а мощность ручных абонентских радиотелефонов DAMPS равна 600 мВт. Преимущества GSM в этом плане 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.

Таблица №1.Частотные данные на различных GSM систем.

) Частота. Мобильная станция связывается с базовыми станциями посредством приема и передачи радиоволн. Каждый оператор мобильной связи имеет разрешение на определенное количество частот в определенном территориальном районе. Разрешение на частоты выдает ГКРЧ.

) Более низкие частоты, с большой длиной волны лучше распространяются на большие расстояния. Это связано с тем, что такие волны могут распространяться, огибая поверхность Земли за счет тропосферного распространения. Высокие частоты имеют одно основное преимущество - это канальная ёмкость, то есть чем выше диапазон, тем больше каналов можно получить.

) Полоса рабочих частот. Ширина полосы пропускания является одним из определяющих параметров, от которого зависит ёмкость мобильной системы, то есть то количество соединений, которые могут быть установлены одновременно.

) Частотные каналы. Существует несколько различных технологий разделения каналов, одной из них является Частотное разделение(Frequency Division Multiple Access - FDMA) . В GSM при описании частотного канала используют номера частот - Absolute Radio Frequency Channel Number - ARFCN. Типы каналов показаны в таблице 2.

Таблица №2. Существующие типы каналов.

Отличия GSM-1800 и GSM-1900 от GSM-900 Фактически - только рабочими частотами. Предоставляемый сервис зависит больше от оператора, чем от диапазона. Однако здесь есть ряд интересных моментов:

из-за более высокой частоты уменьшается максимально возможный радиус соты, а точнее - максимальное удаление абонента от базовой станции. Напомним, что для 900-го диапазона это расстояние равно 35 км. Для 1800 - около 10 км. на частотах 1800-2000 МГц радиоволны имеют несколько иные проникающие свойства. Лучше это или хуже 900 Мгц сказать сложно, но есть подозрение, что хуже.

резкий плюс - куда больший частотный ресурс, так как этот частотный диапазон не успели в свое время захватить компетентные и иные органы . Кроме этого в диапазонах 1800 и 1900 частотное планирование выполняется более гибко.

Структура сотовой сети связи

Рисунок №1. Структурная схема сотовой сети связи.

Сеть GSM включает три основные части:

мобильные станции (MS), которые перемещаются с абонентом;

подсистему базовых станций (BSS), которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией;

подсистему сети (NSS), главная часть которой - центр коммутации мобильной связи (MSC) - выполняет коммутацию между мобильными станциями и между мобильными или стационарными сетевыми пользователями. MSC также управляет работой, связанной с передвижением абонента.

На рисунке № 1. не показан центр обслуживания, который наблюдает за надежным функционированием и изменениями на сети. Мобильная станция (MS) и подсистема базовых станций (BSS) связываются по Um-интерфейсу, также известному как "воздушный интерфейс" или радиолиния связи. Подсистема базовых станций взаимодействует с центром коммутации мобильной связи по A интерфейсу.

Подвижная станция

Помимо терминала подвижная станция MS (Mobile Station) содержит пластиковую карточку, которую называют модулем идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module), благодаря которой абонент работает с телефоном как с банкоматом, причем с помощью одной карточки можно звонить из разных аппаратов. После включения питания подвижная станция запрашивает PIN-код, трехкратный ошибочный набор которого приводит к полному отключению аппарата. До начала сеанса связи сеть через радиоканал проверяет "полномочия" подвижной станции с помощью процедуры аутентификации. Каждый терминал имеет уникальный международный идентификатор мобильного оборудования, SIM-карта содержит международный идентификатор мобильного абонента, секретный ключ для аутентификации, и другую информацию.

Подсистема базовых станций

(Base Station Subsystem) тоже складывается из двух частей: из базовой приемопередающей станции BTS (Base Transceiver Station) и контроллера базовой станции BSC (Base Station Controller).Интерфейс Abis, связывающий эти части, позволяет оперировать компонентами, созданными различными производителями. Радиопокрытие BSS делится на территории - их принято называть - "соты", каждая покрывается одной BTS.управляет протоколами радиоканалов с MS. На крупной густонаселенной территории может располагаться много BTS, и поэтому к ним предъявляются очень строгие требования (четкость границ, надежность, переносимость и малая стоимость). BSC управляет радиоресурсами одного или нескольких BTS, контролирует предоставление радиоканала, регулировку частоты, управление перемещаемыми из ячейки в ячейку вызовами (хендоверами) и является связующим звеном между подвижной станцией и центром коммутации услуг подвижной связи MSC (Mobile services Switching Center). ТСЕ- транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).

Сетевая подсистема

Как уже было отмечено, основной компонент сетевой подсистемы - центр MSC. Он управляет подвижным абонентом: регистрирует, идентифицирует, обновляет информацию о местонахождении, осуществляет хендоверы, маршрутизирует вызовы при роуминге абонентов, а также обеспечивает соединение с фиксированными сетями. Перечисленные услуги обеспечиваются различными функциональными элементами HLR, VLR и др. (см. рис.1), доступ к которым возможен через сеть системы общеканальной сигнализации SS7 (Signalling System No. 7). Сеть SS7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM.

Опорный регистр местонахождения HLR (Home Location Register) и визитный регистр местонахождения VLR (Visitor Location Register), вместе с MSC, обеспечивают возможности маршрутизации и роуминга. HLR содержит все данные административного характера о каждом зарегистрированном абоненте в соответствующей данному HLR сети GSM, а также информацию о его текущем местонахождении. Информация о местонахождении абонента, как правило, предоставляется в виде сигнального адреса VLR, ассоциированного с подвижной станцией.VLR содержит выборочную административную информацию из опорного регистра, необходимую для управления вызовом и предоставления всего комплекса услуг для каждого подвижного абонента, который в этот момент находится в географической зоне, управляемой данным VLR. Другие два регистра используются для обеспечения аутентификации и безопасности.

Расчет основных параметров сотовой системы связи

. Расчет числа радиоканалов

Общее число частотных каналов, выделенных для развертывания сотовой сети связи в данном месте, определяется по формуле

= int(2500000/200000)=12 каналов

где  - целая часть числа ,  - полоса частот, занятая одним частотным каналом системы сотовой связи - частотный разнос между каналами.

. Определение размерности кластера

Необходимо выбрать размерность кластера такой, чтобы обеспечить относительное время нахождения сигнала ниже порога заданного в задании.

Из ТЗ известны следующие данные:

α= 10 дБ, т.е. α= 10 раз.= 10 %

Построим таблицы для напрвленной и не направленной антенн, где С - число сот в кластере.

q = D/R =  - коэффициент ослабления соканальных помех.

Таблица №3. Ненаправленная антенна     Таблица №4. Направленная антенна

Пороговое отношение сигнал - помеха q₀ выбран равным 9 дБ, так как путем повотрных вычислений установлено, что это максимальная величина, при которой обеспечивается выполнение условия: Pc < Pc заданной в ТЗ при числе сот С = 12. То есть процент времени нахождения сигнала ниже порогового уровня почти не превышает указанный в ТЗ.

Из полученных таблиц видно, что в дальнейшем следует использовать ненаправленную антенну, с числом сот в кластере С = 12, т.к. Меньшее число сот не обеспечивает заданную в ТЗ Pc, даже при минимальном уровне q₀. Большее число сот использовать так же нельзя, поскольку у нас всего 12 частотных каналов и использование С>12 невозможно (что будет видно из следующего пункта).

Использование направленной антенны так же невозможно. Минимальное число сот С=7, при котором Pc удовлетворяет ТЗ, не позволит нам корректно произвести расчет числе радиоканалов.

. Расчет числа радиоканалов, которые используются одной БС

Число частотных каналов, которые используются для обслуживания абонентов в одном секторе соты, определяется по формуле

= int(12/12*1) = 1 канал

где  - число секторов.

. Расчет допустимой телефонной нагрузки

Величина допустимой телефонной нагрузки в одном секторе одной соты определяется приближенным соотношением:

, Эрл,

при условии, что вероятность блокирования вызова не превышает величины:

где ,  - число частотных каналов в секторе,  - число абонентов, которые могут одновременно использовать один частотный радиоканал. В данном случае величина =8, т.к. используется цифровой стандарт GSM.

По заданию, P_a = 0,1, следовательно условие Pa выполняется.

 Эрл

. Расчет числа абонентов, которые обслуживаются одной БС

При заданной активности  одного абонента в час наибольшей нагрузки можно рассчитать число абонентов, которые обслуживаются одной БС по формуле

. Расчет количества базовых станций

Минимально необходимое число базовых станций на заданной территории обслуживания определяется соотношением:

где  - заданное число абонентов, которых обслуживает сотовая сеть связи.

. Расчет радиуса зоны обслуживания базовой станцией

Величину радиуса соты можно определить, используя выражение

где коэффициент 1,21 учитывает отличие формы соты от окружности. Отметим, что максимальный радиус соты в стандарте GSM ограничен величиной допустимой задержки распространения сигнала и равен 35 км.

. Расчет величины защитного расстояния

Величина защитного расстояния между БС с одинаковыми частотными каналами определяется соотношением

. Расчет Модели распространения радиоволн в сотовых системах связи

Модель COST 231 - Hata представляет собой модификацию модели Hata и была специально разработана для работы в диапазоне частот 1,5..2 ГГц. При этом формула для расчета основных потерь на трассе в городе имеет вид:

, дБ,

где , =0 дБ для городов средних размеров и пригородов с умеренной плотностью деревьев.

где:=1900 МГц - несущая частота передатчика,

 - высота антенны базовой станции,

 - поправочный коэффициент,

 - расстояние от передатчика до приемника.

. Расчет мощности передатчика одного частотного канала БС

Необходимую мощность на выходе передатчика БС  в дБВт при распространении радиоволн в открытом пространстве определяют в зависимости от характера местности, пользуясь основным уравнением связи:

, дБВт

Где:

 - коэффициенты усиления антенны БС и МС;

 - затухание на трассе распространения с учетом всех добавок;

 - чувствительность приемника МС;

 - длина фидера, которая равна или больше высоты расположения антенны БС;

 - погонное ослабление фидера (Типовые значения затухания кабеля на частоте 1900 МГц равно =0,4 дБ/м)

 - потери в фидере БС;

. Расчет эффективности использования радиоспектра

Эффективность использования радиоспектра сотовой системы связи оценивается радиоемкостью соты:

Для более полной оценки сотовой системы связи используется интегральная эффективность:

В качестве антенны может быть использована 7745.00А. Панельная антенна, 1710-2170 МГц, ширина ДН 90°, MET, X-pol, усиление 17,9 дБи, высота 2,0 м, угол электрического наклона ДН 0-5,5°, разъёмы 2×DIN 7/16 female расположены снизу, в комплекте с устройством крепления и наклона. (Спецификация в приложении).

. Разработка частотно- территориального плана сети

Размерность кластера С=12, число частот равно N_k = 12. Тогда территориальное размещение БС можно осуществить согласно Рисунку 2.

Пусть порядок нумерации сот в кластере         а порядок нумерации кластеров:

имеет такой вид:

Рисунок 2. Нумерация сот в кластере.     Рисунок 3. Нумерация кластеров.

Таблица 5. Частотно-территориальный план.

 - номер соты в кластере,  - номер кластера. Например:

Рис 4. Фрагмент частотно территориального плана.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы была спроектирована сотовая система подвижной радиосвязи стандарта GSM, удовлетворяющая требованиям технического задания.

Стандарт GSM принадлежит ко второму поколению - 2G. В настоящее время сотовые операторы, в том числе и в России, запустили в коммерческую экплуатацию сети третьего поколения. Использование связи 3G помогает абонентам использовать дополнительные сервисы из - за увеличения скорости передачи данных. В частности, с помощью сотового телефона можно будет организовывать видеоконференции.

Список использованной литературы

1. Сети и системы радиосвязи: методические указания по проектированию. РГРТУ. Паршин Ю.Н. 2010г.

. Основы сотовой связи. Ратынский М.В. Радио и связь 1998г.

. Портал мобильной связи

<#"564250.files/image058.gif">

Панельная антенна, 1710-2170 МГц, ширина ДН 90°, MET, X-pol, усиление 17,9 дБи, высота 2,0 м, угол электрического наклона ДН 0-5,5°, разъёмы 2×DIN 7/16 female расположены снизу, в комплекте с устройством крепления и наклона.

Спецификация

Электрические характеристики:

Название    Панельная антенна 1710-2170 МГц

Частотный диапазон, МГц    1710-2170

Поляризация       Двойная линейная +/-45

Волновое сопротивление, Ом        50

КСВ  <1,4:1

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по уровню -3 dB         86

Ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости по уровню -3 dB 4,7

Максимальная вводимая мощность, Вт   500

Механические характеристики:                2xDIN 7/16 female

Местоположение разъемов   Основание антенны

Крепление          Предустановленные крепления

Вес антенны с креплениями, кг      15,9

Ветровая нагрузка, при 42 м/с, H   780

Молниезащита    Заземление по постоянному току

Материал обтекателя антенны        ASA