Республика Казахстан
Алматинский институт Энергетики и Связи
Кафедра Радиотехники
Пояснительная записка
к курсовой работе
По дисциплине: Сети и системы мобильной связи 3-го поколения
Построение мобильной телекоммуникационной сети стандарта CDMA
Принял:
ст. преп.Л.П. Прилепкина
Выполнил:
Т.Н.Косолапова
Ст.гр.МРС-04-3
З.к.№ 043251
Алматы 2008
/>Задание
В даннойрасчетно-графической работе, необходимо:
1. произвести расчетотношения сигнал/шум в трафик-каналах, пилот-канале, в поисковом канале и вканале синхронизации;
2. определитьколичество активных пользователей в одной соте;
3. графическиопределить зависимость между радиусом соты и количеством активных абонентов;
4. сделать выводыотносительно предложенного варианта и возможные пути улучшения качественныхпоказателей проектируемой сети.
Исходныеданные (вариант 7):
/>(дБм)- мощность мобильноготерминала;
/>(дБ)- потери в кабеле мобильноготерминала;
/>(дБ)- коэффициент усиления антеннымобильного терминала;
/>(дБ)- потери при ориентацииантенны мобильного терминала;
/>(дБ)- допуск на проникновения вздания;
/>(дБ)- коэффициент усиленияприемной антенны базовой станции;
/> (дБ)- потери в фидере базовойстанции;
/>(дБ)- коэффициент усиленияпередающей антенны базовой станции;
/>(дБм)- эффективная мощностьизлучения трафик–канала;
/>(дБм)- мощность от передающейантенны базовой станции;
/> — число трафик–каналовподдерживаемое одной сотой;
/> — коэффициент активности речи;
/>(дБм)- средний уровень сигнала,требуемый при приеме;
/> (дБм)- мощность пилот канала;
/>(дБм)- мощность канала оповещения;
/>(дБм)-полная мощностьвсех трафик-каналов на выходе усилителя.
Таблица 2 – Параметрыстанции№
% застройки
Центральная
частота f, МГц
Высота антенн БС hb, м
Высота антенн МС hm, м
Еb/N0
P(%)-
надежность 3 25 833 28 1,4 8 0,70 />
Введение
Вданной курсовой работе производится планирование сетей сотовой связи и расчетуосновных параметров сетей связи стандарта CDMA. Производится исследование функциональной зависимостипараметров сети. Бюджет линии связи предназначен, для того, чтобы произвестинеобходимые расчеты отношения принятой битовой энергии к тепловому шуму иплотности интерференции. Расчеты основаны на известных значениях мощностипередатчика, коэффициентов усиления передающей приемной антенн, значении принятыхшумов, емкости канала, а также распространении сигнала и интерферирующей среды.Расчет бюджета линии связи необходим для анализа трафик-каналов прямого и обратногосоединений, пилот-канала, канала поискового вызова и канала синхронизации.
1. Расчетосновных параметров сети связи1.1 Прямое соединение
При вычисленииэффективного соотношения сигнал/шум для пилот-канала, канала синхронизации иканала поискового вызова, необходимо вычислить мощность принятого сигнала ипринятой интерференции по каждому каналу. Нижеприведенные расчеты позволятьпроизвести анализ канала прямого соединения.
Эффективная мощностьизлучения трафик канала:
/>, (1)
где pt– эффективная мощность излучения(ЭМИ) трафик канала (дБм);
Pt– ЭМИ всех трафик каналов отпередающей антенны БС (дБм);
Nt – число трафик каналов поддерживаемоеодной сотой;
Сf– коэффициент активности речи
/>.
Мощность, приходящаяся наодного абонента (мобильную станцию):
/>, (2)
где pu– мощность в трафик канале на одногоабонента (дБм);
Gt– коэффициент усиления передающейантенны БС (дБ);
Lc– потери в фидере БС (дБ).
/>.
Полная мощность базовойстанции (БС):
/>, (3)
где ps – мощность канала синхронизации(дБм);
pp – мощность пилот — канала (дБм);
ppg– мощность канала оповещения (дБм).
/>
Усилитель мощности БС:
/>, (4)
где Ра– полная мощность всех трафик-каналов, пилот-канала, поискового канала, иканала синхронизации на выходе усилителя (дБм);
Рс– полная излучаемая мощность БС(дБм).
/>.
Полная мощность принятаямобильной станцией:
/>, (5)
где рт–полная мощность принятая мобильной станцией (дБм);
/> – средние потери на трассе междуБС и мобильной (дБ);
Al– допуск на теневые потери (дБ);
Gm – коэффициент усиления (на приеме)антенны мобильной станции.
/>
Принятая мощностьтрафик-канала:
/>, (6)
где рtr – принятая мобильной станциеймощность трафик-канала от БС (дБм).
/>.
Принятая мощностьпилот-канала:
/>, (7)
где рpr– принятая мобильной станциеймощность пилот-канала от БС (дБм).
/>.
Принятая мощностьпоискового канала:
/>, (8)
где рpgr – принятая мобильной станциеймощность поискового канала от БС (дБм).
/>.
Принятая мощность каналасинхронизации:
/>, (9)
где рsr – принятая мобильной станциеймощность канала синхронизации от БС (дБм).
/>.
Интерференция от другихпользователей в трафик-канале:
/>, (10)
где Iut – плотность интерференциисоздаваемой другими абонентами в трафик-канале (дБм/Гц);
/>.
Интерференция,создаваемая другими базовыми станциями в трафик-канале:
/>, (11)
где Ict– плотность интерференции создаваемойдругими БС в трафик канале (дБм/Гц);
fr– коэффициент переиспользованиячастоты (fr=0.65).
/>
Плотность интерференциидля трафик-канала:
/>, (12)
где Iut– плотность интерференции каналетрафика (дБм/Гц).
/>.
Интерференция от другихабонентов (той же БС) в пилот-канале:
/>, (13)
где Iuр – плотность интерференции другихабонентов в пилот-канале (дБм/Гц).
/>.
Интерференция,создаваемая другими базовыми станциями в пилот-канале:
/>, (14)
где Ict– плотность интерференции создаваемойдругими БС в пилот-канале (дБм/Гц);
/> – коэффициентпереиспользования частоты;
/>.
Плотность интерференциидля пилот-канала:
/>, (15)
где Iр – плотность интерференции дляпилот-канала (дБм/Гц).
/>.
Интерференция от другихабонентов (той же БС) в поисковом-канале:
/>, (16)
где Iupg – плотность интерференции от другихабонентов в поисковом канале (дБм/Гц).
/>.
Интерференция,создаваемая другими базовыми станциями в поисковом-канале:
/>, (17)
где Icpg– плотность интерференции создаваемойдругими БС в поисковом-канале (дБм/Гц);
/>.
Плотность интерференциидля поискового-канала:
/>, (18)
где Iрg – плотность интерференции для пиоскового-канала(дБм/Гц).
/>.
Интерференция от другихабонентов (той же БС) в канале синхронизации:
/>, (19)
где Ius – плотность интерференции от другихабонентов в канале синхронизации (дБм/Гц).
/>.
Интерференция,создаваемая другими базовыми станциями в канале синхронизации:
/>, (20)
где Ics– плотность интерференции создаваемойдругими базовыми станциями в канале синхронизации (дБм/Гц);
/>.
Плотность интерференциидля канала синхронизации:
/>, (21)
где IS – плотность интерференции для каналасинхронизации (дБм/Гц).
/>.
Тепловой шум:
/>, (22)
где N– плотность теплового шума (дБм/Гц);
Nf– значение шума в приемнике мобильнойстанции (дБ).
/>.
Отношение сигнал/шум +интерференция в трафик-канале:
/>, (23)
где btr– скорость передачи данных в трафик-канале (бит/с).
/>.
Отношение сигнал/шум +интерференция в пилот-канале:
/>, (24)
/>
.
Отношение сигнал/шум +интерференция в поисковом-канале:
/>, (25)
где bpgr– скорость передачи данных в поисковом канале (бит/с).
/>.
Отношение сигнал/шум +интерференция в канале синхронизации:
/>, (26)
где brs– скорость передачи данных в канале синхронизации(бит/с).
/>. 1.2 Обратное соединение
Мощность усилителямобильной станции:
/>, (27)
где pu– мощность на выходе усилителя (дБм);
Рme – полная излучаемая мощность антеннымобильной станции (дБм);
Gm– коэффициент усиления передающейантенны мобильной станции (дБ);
Lm– потери в кабеле мобильной станции(дБ).
/>.
Мощность принятая базовойстанцией от одного абонента:
/>, (28)
где Рcu– полная мощность принятая БС поканалу трафика от мобильной станции (дБм);
Lp– средние потери на трассе между БС имобильной (дБ);
Al– допуск на теневые потери (дБ);
Gt– коэффициент усиления (на приеме)антенны БС (дБ).
Lt– потери в кабеле БС (дБ).
/>.
Плотность интерференциисоздаваемой другими абонентами в данной БС:
/>, (29)
где Iutr – плотность интерференциисоздаваемой другими мобильными станциями (дБм/Гц)
Са– коэффициент активности речи вканале (Са=0,4-0,6);
Nt– число трафик-каналов имеющихся водной БС.
/>.
Плотность интерференциисоздаваемой другими абонентами других базовых станций:
/>, (30)
где Ictr– плотность интерференции отмобильных станций других базовых станций (дБм/Гц);
/> – коэффициентпереиспользования частоты.
/>.
Плотность интерференциисоздаваемой другими абонентами других базовых станций и данной БС:
/>, (31)
где Itr– плотность интерференции создаваемойдругими абонентами других БС и данной БС (дБм/Гц).
/>.
Плотность теплового шума:
/>, (32)
где N– плотность теплового шума (дБм/Гц);
Nf– значение шума в приемнике мобильнойстанции (дБ).
канал сотаабонент пользователь
/>.
Отношение сигнал/шум +интерференция в трафик-канале:
/>, (33)
где brr– скорость передачи данных в трафик-канале обратногосоединения (бит/с).
/>. 1.3 Анализ емкости базовой станции
CDMA обладает некоторыми атрибутамиспособствующими к увеличению емкости станции, а именно:
— учет активности речи.Обычная средняя активность речи абонента составляет 35% от полноговремени его разговора. Остальное время занимают паузы, в течении которыхабонент слушает собеседника. В CDMA все абоненты занимают один радиоканал. Поэтому когда кто-тоиз них не разговаривает, то создается меньше помех. Таким образом, сокращениеактивности речи уменьшает взаимные помехи, что позволяет увеличить емкостьканала до трех раз. CDMA – единственная технология, использующая преимущества этого явления.
— увеличение канальнойемкости за счет использования секторных антенн (секторизация). В FDMA и TDMA каждая сота делится на секторы длятого, чтобы уменьшить влияние интерференционных помех. В результатетранкинговая эффективность разделенных каналов в каждой соте ухудшается. В CDMA секторизация применяется для дляувеличения емкости путем организации трех радиоканалов в трех секторах, и такимобразом, емкость увеличивается в три раза по сравнению с теоретической емкостьюпри использовании одного радиоканала в соте. Поэтому имеется возможностьподключить дополнительного абонента, при этом качество воспроизведения речиухудшается незначительно по сравнению с обычным режимом. Например, если в соте 40каналов и добавляется еще один, то разница в отношении несущая/интерференция Eb/Nсоставляет всего 10log(40+1)/40=0.24 дБ;
— большим преимуществом CDMA перед остальными системами являетсято, что CDMA может многократно использовать полныйспектр всех сот.
В случае когда количествоабонентов равно N, БСпринимает сигнал состоящий из необхомимого нам сигнала с мощностью С и N-1 интерферирующих сигналов также с мощностью С.Отсюда отношение несущая к интерференции может быть выражено как:
/>, (34)
где С – уровень мощности требуемого сигнала;
I – уровень мощности интерференции
/>. (35)
В отличие от систем FDMA и ТDMA, в системе CDMA нас больше интересует отношение Eb/N0чем отношение C/I.
Допустим, что:
R – cкорость передачи данных (в нашем случае 9600 bps);
W – ширина канала (1,25 МГц),
Тогда отношение между Eb/N0 может быть выражено как:
/>. (36)
Перемножая (36) и (37),получаем
/>. (37)
Выражение (37) определяетмаксимальное число абонентов в системе CDMA в зависимости от минимальнойвеличины Eb/N, необходимой для нормальной работысистемы, которая для передачи цифрового голоса подразумевает BER (коэффициент битовой ошибки) равный 10-3или меньше.
С учетом повторногоиспользования частоты:
/> (38)
С учетом секторизации:
/> (39)
Формула (39) являетсяконечной формулой для расчета емкости одной соты,
где F=0.65 – эффективность многократногоиспользования частоты;
VAF=0.35 – средняя активность речи абонента;
G=1 – коэффициент секторизации, для 120осекторизации.
/>.1.4 Исследование радиуса соты
Радиуссоты можно получить, найдя расстояние на котором потери при распространенииприводят к уровню сигнала равному требуемому, как функции загрузки соты.
Расчет бюджетарадиолинии, для конкретной соты, требует нахождение величины максимальныхприемлемых потерь Lmax. Так как потери при распространении пропорциональны длинерадиолиниизначение Lmax выражает максимальную дистанцию радиолинии или другимисловами эффективный радиус соты или сектора в определенном направлении.
Общее выражение дляпотерь, при распространи в дБ как функции расстояния:
/>, (40)
где dkm– расстояние в километрах;
L1 – значение потерь для dkm=1;
γ – закон распределения энергии.
На краях соты, dkm=Rkmи потери равны Lmax. Таким образом, полное выражение длярадиуса соты в километрах имеет вид
/> (41)
Решая общеевыражение относительно Rkm получаем:
/> (42)
или
/>. (43)
Таким образом, длянахождения отношения между радиусом соты и трафиком соте, необходимо найтивыражения для максимальных потерь при распределении Lmax. Эмпирическая формула для потерьбыла определена МСЭС (ITU-R)
/>
где hb и hmвысоты антенн базовой и мобильнойстанции в метрах;
fМГц– центральная частота в МГц;
/> (45)
B=30-25log10 – коррекционный фактор (% площадипокрытой зданиями).
Формула преобразования измодели условий распространения Окумура – Хата для малых и средних городов.
Таким образом,
/>
Подставив данные в (46),получим
/>
Таким образом, сравниваявыражения (40) и (47) находим значения для L1 и γ,
L1 = 123,63 и γ=35,42/10=3,542.
Теперь необходимо найтивыражение для максимальных потерь при распределении Lmaxотносительнозагрузкисоты. Для этого необходимо определить зависимость уровня сигнала от загрузкисоты.
Обозначим средний уровеньсигнала, требуемый при приеме Рs и минимальный необходимый при приеме уровень сигнала вотсутствии интерференции />.
В соответствии с идеальноотрегулированной по мощности моделью требуемое среднее значение принимаемогосигнала
/>, (48)
где />отношение количества пользователей всоте (секторе) кмаксимальному количеству пользователей.
С учетом запаса помощности в дБм
/>, (49)
/>.
Предположив, что базасигнала PG=128=21.1дБ и шумы приемника БС 5 дБ,следует что />
Идеальное максимальноеколичество пользователей с учетом запаса мощности:
/> (51)
Отсюда следует, чтомаксимально приемлемые потери при распределении, это потери, при которых примаксимальной мощности передатчика мобильного терминала и различных усилениях ипотерях не при распределении в обратном канале, приводят к тому, что на БСпринимается требуемый уровень сигнала. Выражение, описывающее данное состояниеследующее
/>
/> (53)
/> определяет мощность мобильноготерминала, которая была бы принята приемником БС в отсутствии потерь. Такимобразом
/>, (54)
Подставляя типичныезначения параметров обратного канала в (53), получаем
/>. (55)
Выражение длямаксимального ослабления при распространении как функции параметра загрузкисети Х имеетвид:
/>
Если добавить в (56)детализированные потери из (54) с учетом запаса по мощности используемого в (49),тогда (56) можно выразить как
/>
Теперь подставив (57) вкачестве Lmaxв (43) для того, чтобы получитьжелаемое выражение радиуса соты как функции загрузки сети
/>
Это выражениепоказывает максимальный радиус соты доступной мобильному передатчику смощностью рассмотренной в расчетах />.
Найдем числовое выражениедля радиуса соты, основываясь на выражении (56), используя модель МСЭС(ITU-R), численные значения параметров обратного канала, а так жепредполагая, что высоты антенн БС hb=28 m,мобильной станции hm=1.4 mи25% покрытием территории зданиями.
Принимаемая мощность безпотерь при распространении:
/>.
Требуемая мощностьпринимаемого сигнала с учетом интерференции и без запаса по мощности равна:
/> (59)
L1 = 123,63 и γ=35,421/10=3,542.
Подставляя все это в (58),получаем выражение с параметрами Eb/N, MdB, M, Mmax:
/>,
/>.
Для того, чтобы показатьзависимость радиуса соты от М (количества активных пользователей) при принятыхзначениях Eb/Nи запаса по мощности используем (60)для записи
/> (61)
Значениявыбираются исходя из заранее выбранной надежности канала. Для />, запас мощности равен />.
Используявыражение идеальной емкости системы (51) Mmax,для выражения радиуса соты (59) построим график для различных значений MдБ и Eb/N0.
/>,
/>.
/>
/>
Рисунок 1– Графикзависимости радиуса соты от загрузки соты
/>/>/>Заключение
Вданной курсовой проекте била рассчитаны основные параметры мобильнойтелекоммуникационной сети стандарта CDMA.
Из построенных графиковвидно, что требуемые значение Eb/Nи MdB, подбираемые из расчета надежностисистемы для обратного канала сильно влияют на размер соты. При высокихзначениях надежности и соответственно отношения сигнал/шум и запаса помощности, радиус соты начинает стремительно падать при определенных значенияхемкости системы (количество активных пользователей). Так же из графика можноопределить уровень снижения радиуса соты при определенном значении активныхпользователей.
Исследованиемодели беспроводной сети позволяет спроектировать сеть исходя из типичных входныхпараметров, таких как: частота, мощность передатчиков, надежность системы,процент застройки и т.д. и спрогнозировать основные ее показатели, такие какемкость и зона покрытия.
Чембольше емкость соты, тем меньше ее радиус, т.к. увеличиваются суммарныеинтерференционные помехи внутри одной соты и из других сот, которые особеннопроявляются в обратном канале.
Привычислении эффективного отношения сигнал/шум для пилот-канала, каналасинхронизации и канала поискового вызова, необходимо вычислить мощность принятогосигнала и принятой интерференции по каждому каналу.
В даннойкурсовой работе я произвел расчет отношения сигнал/шум в трафик-каналах,пилот-канале, в поисковом канале и в канале синхронизации. Мощность, приходящаяна одного абонента больше Эффективной мощности излучения трафик канала за счетвысокого коэффициента усиления передающей антенны базовой станции и небольшихпотерь в фидере. Однако нам нужно рассчитать не только излучение трафика каналано также еще и канал синхронизации, пилот-канала и канала оповещения. Значениеполной мощности значительно возросло по сравнению с мощностью в трафик каналена одного абонента. С учетом усилителя мощности занчение полной мощностизаметно возрастает. Рассчитывая уже полную мощность принятую мобильной станцией,я учитываю, внимание, средние потери на трассе между БС и мобильной, допуск натеневые потери, потери в кабеле приемного терминала, отнимая эти значения, т.к.они приводят к ослаблению сигнала, а также учитываем коэффициент усиления наприеме мобильной станции. В данной курсовой работе было принято взять 4.4 хотяна самом деле на трассе потери самые большие и на порядок выше принятых.
Так как вканале 65 каналов, то я учитываю это в виде расчета интерференции от другихпользователей в трафик-канале. Другими словами, я рассчитываю логарифмическуюразность между эффективным излучением и мощностью на приемном терминале, завычетом самой ширины канала. Мы видим, что интерференция имеет место, т.к.значение плотности интерференции создаваемой другими абонентами имеетположительное значение.
Интерференциюсоздаваемую другими базовыми станциями легко расчитать, достаточно учестькоэффициент переиспользования частоты. Складывая обе интерференции находимзначение плотности интерференции для трафик-канала. Аналогично рассчитаю дляпилот-канала, поискового канала и канала синхронизации. Далее нахожу отношениесигнал/шум+интерференция в каждом из каналов. С первой частью я справился.Далее рассчитываю обратное соединение мобильной станции с базовой станцией.Сперва рассчитываю мощность усилителя мобильной станции, которая рассчитываетсякак сумма полной излучаемой мощности антенны мобильной станции и коэффициентаусиления передающей антенны мобильной станции учитывая потери в кабелемобильной станции. Аналогично, рассчитываю мощность усилителя мобильнойстанции, плотность интерференции создаваемой другими абонентами в даннойбазовой станции, других базовых станций. Складываю обе интерференции складываюзатем со значением сигнал/шум.
Рассчитаемемкость одной соты. Используя отношение уровня мощности требуемого сигнала куровню мощности интерференции выразим через ширину канала, скорость передачиданных, несущая/интерференция. Действительно чем больше ширина канала, тембольше можно обслужить абонентов, зависимость прямо пропорциональная. Однакочем выше скорость передачи данных, тем большее качество необходимо обеспечить,зависимость обратоно пропорциональна. Чем больше отношениенесущая/интерференция. В CDMAсекторизация применяется для увеличения емкости путем организации трехрадиоканалов в трех секторах, и, таким образом, емкость увеличивается в трираза по сравнению с теоретической емкостью при использовании одного радиоканалав соте. Поэтому имеется возможность подключить дополнительного абонента, приэтом качество воспроизведения речи ухудшается незначительно по сравнению собычным режимом. Это исключительная особенность CDMA.
/>Список использованной литературы
1. Тихвинский В.О. Сети подвижной связи3 поколения. Экономические и технические аспекты развития в России. –М: Радиои связь. 2001.
2. CDMA: прошлое, настоящее и будущее /под. ред. проф. Л.Е. Варакина и проф. Ю.С. Шинакова. – М, МАС, 2003.
3. В.В. Величко. Передача данных в сетяхмобильной связи 3 поколения. –М. Радио и связь. Горячая линия – телеком. 2005.
4. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., ДмитриевВ.И. Системы мобильной связи / СПбГУТ. – СПб, 1999.
5. Громаков Ю.А. Стандарты и системыподвижной связи. –М. Радио и связь. 1999.