УДК 621.396.74

Аль Дарайсех Билал :магистрант

РУКОВОДИТЕЛЬ : Бойко В.В

Донецкий национальный технический университет, Украина

Расчет покрытия системы базовых станций сети мобильной связи стандарта WiMAX 802.16e

Введение

Стоимость реализации сети мобильной связи зависит преимущественно от стоимости подсети радиодоступа, то есть, от количества базовых станций, через которые осуществляется доступ абонентов к сети. Таким образом, это количество не должно быть избыточным, но в то же время предоставляемые абонентам услуги должны иметь определенный уровень качества (определяется параметрами качества QoS).

Постановка цели исследования

Для обеспечения необходимого качества услуг нужно выполнить два условия при проектировании сети радиодоступа:

1. Количество базовых станций должно быть достаточным для обработки трафика, генерируемого абонентами.

2. Базовые станции должны обеспечивать радиопокрытие с необходимым уровнем сигнала.

В этой статье будет рассмотрена задача обеспечения второго условия.

Если на территории будут участки, где уровень сигнала слабый, недостаточный для уверенного приема, то качество услуг будет не достаточно высоким (плохая слышимость, прерывания связи при звонках; низкая скорость доступа к сети Интернет и т.д.), или абонент вообще не сможет получить доступ к услугам.

Итак, цель данного исследования – проведение расчета радиопокрытия подсистемы базовых станций для проектируемой сети мобильной связи стандарта WiMAX 802.16e г.Ирбид (Иордания).

Методы исследования: математический, метод компьютерного моделирования.

Выбор моделей распространения сигналов для расчета покрытия

Определение покрытия обычно производится с помощью специальных моделей распространения сигнала.

Эти модели позволяют учесть разнообразные факторы – частоту сигнала, высоту, на которой расположена антенна (как приемника, так и передатчика), мощность излучаемого сигнала, коэффициенты усиления антенн, тип местности (сельская, городская и т.д.). С помощью моделей возможно также рассмотрение специальных ситуаций – анализ покрытия непосредственно возле базовой станции, распространение радиоволн вдоль уличных каньонов и т.д, но такой анализ нужен уже при рассмотрении конкретных ситуаций, при решении различных проблем радиосвязи уже готовой сети.

Для анализа радиопокрытия проектируемой мобильной сети используются следующие модели:

1. Модель COST 231-Хата.

Модель COST231-Хата справедлива для частот в диапазоне 1,5÷2ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 метров, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 метров, и расстоянии между ними от 1 до 20 км.

2. Модель SUI (Stanford University Interim) – модель, являющаяся развитием модели Хата. Работает в диапазоне выше 1900МГц, и позволяет прогнозировать покрытие сигнала до 3,5ГГц.

Высота антенны базовой станции должна быть от 10 до 80 метров, высота антенны подвижной станции – от 2 до 10 метров, расстояние между передатчиком и приемником от 0,1 до 8 км.

3. Модель ECC-33 или расширенная модель Окумуры-Хата, адаптированная для СВЧ диапазона (до 3,5ГГц). Высота антенны базовой станции от 30 до 200 метров, высота антенны подвижной станции от 1 до 10 метров, и расстояние между ними от 1 до 20 км.

Итак, для оценки радиопокрытия необходимо знать частоту сигнала. Для WiMAX характерен частотный диапазон свыше 2ГГц: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8ГГц. Выбирая диапазон для проектируемой сети, необходимо ориентироваться на нижнюю границу доступного диапазона, поскольку, чем меньше частота сигнала, тем большее расстояние между приемником и передатчиком допустимо.

Для проектируемой сети выбраны частотные полосы в области 2,5ГГц, таким образом, эта частота будет применяться в формулах.

Расчет покрытия для сигнала с частотой 2,5ГГц

Максимальное расстояние между базовой и подвижной станциями определяется допустимым уровнем мощности на входе приемника, величина которой зависит от следующих параметров:

1. мощностью сигнала передатчика;

2. коэффициентами усиления антенн базовой и подвижной станций;

3. типом местности, которая влияет на следующие параметры:

- запас на замирания;

- запас на проникновение в здания;

4. потерями в фидерах и коннекторах;

5. потерями распространения.

Потери распространения можно рассчитать различными способами, и в данном исследовании будут использоваться вышеуказанные модели. Частота сигнала 2,5ГГц, высота подвеса антенны базовой станции 35 метров, высота подвижной станции 3 метра.

Результаты расчетов потерь распространения по трем различным моделям приведены на рисунке 1.

Как показывает анализ зависимостей рисунка 1, три модели дают различные результаты, причем, наименьшее затухание при распространении получается при использовании модели COST 231-Хата, наибольшее – при использовании модели SUI. Тем не менее, следует помнить, что модель COST 231-Хата вносит большую погрешность в расчетах при частоте сигнала выше 2ГГц.

Рисунок 1 – Зависимость потерь распространения от расстояния между передатчиком и приемником для трех различных моделей

Таким образом, мощность на входе приемного устройства можно выразить формулой:

, (1)

где P – мощность сигнала на выходе передатчика, дБ;

G_пер, G_пр – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны, дБ;

A – потери в коннекторах и фидерах, дБ;

S_з – запас на замирания, дБ;

S_зд – запас на проникновение в здания, дБ;

PL – потери распространения, дБ.

Все параметры, кроме потерь распространения, можно задать, исходя из характеристик оборудования WiMAX и справочной информации:

1. Выходная мощность передатчика может быть разной – зависит от производителя, если брать в среднем, то мощность Р=10Вт=10дБ.

2. Коэффициент усиления антенны базовой станции также зависит от производителя, примем G_пер=27дБ; как правило, коэффициент усиления приемной антенны равен нулю.

3. Запасом на замирания можно пренебречь, поскольку стандарт WiMAX 802.16e использует технологии антенных решеток MIMO или MISO, что позволяет практически полностью устранить эффект замирания сигнала.

4. Запас на проникновение в здание выбирается, исходя из типа городской застройки, в данном случае, запас равен 15дБ.

5. Потери в коннекторах и фидерах А=1,5дБ.

На основании всех этих параметров можно рассчитать мощность сигнала на входе приемника:

. (2)

Оценивая потери распространения PL по каждой модели, и принимая допустимую входную мощность передатчика равной –105дБм (-135дБ) можно получить по графикам допустимое расстояние между приемником и передатчиком (рисунок 2).

Рисунок 2 – Оценка максимального допустимого расстояния между приемником и передатчиком для трех разных моделей

Для трех моделей получились различные результаты расчета максимального допустимого расстояния:

1. Модель COST 231-Хата: 2,7км;

2. Модель ECC-33: 4,6км;

3. Модель SUI: 0,5км.

Итак, результаты сильно отличаются. Таким образом, нужно оценить достоверность применяемых моделей практически. Для оценки радиопокрытия существуют специальные программные средства, которые строят картину электромагнитного поля для заданной территории (загружается карта), на которой указаны местоположения базовых станций, а также их параметры.

В свободном доступе есть только программа RPS2, причем с ограничениями – доступна только карта Санкт-Петербурга, и диапазон частот ограничен 2000МГц.

Таким образом, в данном случае необходимо воспользоваться инструментом масштабирования, который часто применяется в исследованиях, если провести эксперимент в реальном масштабе нет возможности. В программе RPS2 будет проведена оценка радиопокрытия для частоты 2ГГц, а также будут рассчитано теоретическое радиопокрытие для этой же частоты по всем трем моделям. На основании полученных результатов можно будет сделать оценку относительно наибольшего соответствия какой-либо модели практическому исследованию.

Согласно теоретическим расчетам для частоты 2ГГц максимально допустимое расстояние:

4. Модель COST 231-Хата: 3,3км;

5. Модель ECC-33: 5км;

6. Модель SUI: 0,65км.

В результате расчетов, проведенных в программе RPS2 по модели RPS, учитывающей дифракцию, отражение, атмосферные помехи, потери на местности, покрытие территории имеет следующий вид (рисунок 3):

Рисунок 3 – Радиопокрытие территории по модели RPS

Итак, на различном расстоянии сигнал на входе приемника имеет различную мощность:

1. На расстоянии от 0 до 1,5км мощность находится в диапазоне от -20 до -40дБм или от -50 до -70дБ.

2. На расстоянии от 1,5 до 5,5 км – от -40 до -60дБм (от -70 до -90дБ).

3. На расстоянии большем 5,5км – от -60 до -80дБм (от -90 до -110дБ).

С учетом запаса на проникновение в здания (15дБ) и потерь в коннекторах и фидерах (1,5дБ), которые не учтены в модели программы, получается, что на расстоянии около 5,5км принятый сигнал имеет мощность

. (3)

Таким образом, наиболее близкий результат имеет расширенная модель ECC-33, поскольку остальные модели на рассчитанных радиусах имеют еще большую мощность принятого сигнала.

Выводы

В данной работе проведен расчет радиопокрытия базовой станции WiMAX с помощью трех моделей распространения радиоволн: COST 231-Хата, ECC-33, SUI. Результаты расчетов получились абсолютно различными, поэтому для проверки наибольшего соответствия использована программа RPS2. С помощью программы, а также с применением инструмента масштабирования (в демо-версии программы недоступен расчет покрытия на частотах, больших 2ГГЦ), выяснено, что наибольшее соответствие имеет модель ECC-33, которую и рекомендуется использовать при подобных расчетах.

Литература:

1. Mohammad Shahajahan and A. Q. M. Abdulla Hes-Shafi, Analysis of Propagation Models for WiMAX at 3.5 GHz, http://btu.se/fou/cuppsats.nsf/all/a9f238eea5e811bdc125763c003cd3ca/$file/Thesis_final_report.pdf

2. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учебное пособие для вузов. - Г.: Радио и свиязь, 2002. - 440 с.