Разработка методики расчета зон покрытия сетей беспроводного абонентского доступа военного назначения

В ходе разработки методики расчета зон покрытия СБАД необходимо учесть, что из-за неоднородности рельефа и наземных объектов форма ячеек (зон доступа) далеко не всегда совпадает с правильными шестиугольниками. Точный прогноз конфигурации каждой ячейки является весьма сложной задачей. При этом точность прогноза определяется, с одной стороны, точностью исходных данных об условиях распространения радиоволн (РРВ) и пространственно-временном распределении информационной нагрузки (трафика) подвижных абонентов, а с другой стороны, точностью используемых моделей РРВ и обслуживания подвижных абонентов (ПА). Кроме того, качество беспроводной связи и реальная конфигурация зон доступа существенно зависят от взаимного влияния различных относительно близко расположенных радиоэлектронных средств (РЭС).

При частотно-территориальном планировании (ЧТП) различают три этапа расчетов в рамках решаемых задач анализа и синтеза.

1. Анализ – расчет конфигурации зон (электромагнитного) покрытия (радиосигналами с достаточной для связи мощностью P_c ³ P_c.тр). Синтез – выбор мест размещения, высот и ориентации антенн, а также мощности передатчиков базовых станций, при которых удается обеспечить заданную степень (в идеале – полную) электромагнитного покрытия заданной территории размещения ПА.

2. Анализ – расчет конфигурации зон обслуживания ПА с заданными вероятностно-временными характеристиками (ВВХ) информационного обмена. Синтез – выбор необходимого количества трафиковых каналов (приемопередатчиков – ПП) БС, при котором удается обеспечить заданные ВВХ для заданной доли (в идеале – для всех) ПА на заданной территории их размещения.

3. Анализ – расчет конфигурации зон электромагнитной совместимости (ЭМС), в пределах которых выполняются требования к достоверности и своевременности, несмотря на одновременную работу множества относительно близко расположенных РЭС. Синтез – выбор необходимого количества и распределения частот между всеми ПП всех БС СПР, при которых в пределах заданной территории размещения ПА выполняются требования к ЭМС (сохраняется неизменной конфигурация зон обслуживания несмотря на взаимное влияние РЭС). При использовании технологий с МДЧР и адаптивным выбором свободных частот (подобных DECT) или с МДКР и одной несущей указанная задача синтеза не решается, но анализ ЭМС все равно выполняется, иногда совместно с решением задач анализа и синтеза на первых двух этапах.

На первом этапе необходимо произвести расчет частотных каналов. Общее число частотных каналов, выделенных для развертывания сети связи в данном месте, определяется по формуле:

,

где int(x) – целая часть числа х;

F_k – полоса частот, занятая одним частотным каналом системы (частотный разнос между каналами).

Также рассчитаем количество частотных каналов, которые используются для обслуживания абонентов БС. Число частотных каналов, которые используются для обслуживания абонентов в одном секторе, определяется по формуле:

где - число секторов.

Произведем расчет допустимой нагрузки БС. Величина допустимой нагрузки в одном секторе определяется соотношением:

при условии, что

,

где ; (5)

- число абонентов, которые могут одновременно использовать один частотный радиоканал. В данном случае величина =1, т.к. используется аналоговый стандарт.

Подкоренное выражение больше, чем величина , т.к. .

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

При решении задач определения конфигурации зон покрытия (1-й этап) и ЭМС (3-й этап) используются три класса моделей РРВ, отличающиеся составом используемых исходных данных о земной поверхности, а также сложностью и точностью расчетов затухания радиоволн L (дБ) (loss – потери) между БС и мобильными станциями (МС) ПА на расстоянии R [км] на частоте F (МГц) при высотах антенн БС H (м) и МС h (м):

Модели РРВ, чувствительные только к дальности R между БС и МС и обобщенному типу земной поверхности вокруг БС независимо от конкретного направления от БС к МС. Конфигурация зоны покрытия одной БС при этом имеет форму круга. Можно выделить три типа данных моделей, отличающиеся степенью чувствительности к реальной земной поверхности, вокруг анализируемой БС:

1. Модель РРВ в свободном пространстве, совершенно не учитывающая наличие земной поверхности.

2. Модель РРВ в околоземном пространстве, учитывающая абсолютное экранирующее влияние идеальной сферической земной поверхности с эквивалентным радиусом.

3. Модель РРВ в приземном слое атмосферы, учитывающая статистические свойства неоднородности земной поверхности (включая наземные объекты):

где параметры A и B зависят от типа земной поверхности, а также от частот F [МГц] и высот антенн БС H [м] и МС h [м] (например, в модели Окамура – Хата для городских районов при F = 150–1000 МГц, H = 30–200 м, h = 1–10 м):

где a(h) – поправочный коэффициент для высоты антенны МС, равный, для малых (средних) городов и пригородов величине

для больших городов и используемых частотах величине

для больших городов и используемых частотах величине

.

Зная максимально (минимально) допустимое затухание сигналов L_с (помех L_п) путем обратных преобразований формулы (1) несложно определить радиус зон покрытия R_с (или ЭМС R_п), причем, всегда при прочих равных условиях R_с < R_п:

После построения зон покрытия многих БС с помощью приведенной модели при планировании СПР формируются карты границ зон обслуживания разных БС, представляющие собой множество элементарных площадок размещения, помеченных условным номером той БС, от которой уровень сигнала превышает уровни сигналов от других БС. Именно карта границ при определенном регулярном размещении БС и однородных условиях РРВ имеет вид шестигранных сот.

После выполнения расчета радиуса зон покрытия можно рассчитать количество БС сети подвижной радиосвязи, достаточное для покрытия территории заданной площадью (S). Расчет можно производить по формулам с учетом требований к плотнейшей укладке (кругов соседних точек БС):

.

Определив по карте границ величину радиуса зоны связи R_с как минимальное расстояние до границы отдельной зоны обслуживания (соты) и максимальный радиус зоны ЭМС (помех) R_п, можно оценить минимально необходимое количество групп частот (размер кластера) N_F для ССПС:

где ρ = R_п/R_c – относительный радиус зоны помех; γ Î [–1,1] – смещение относительного расстояния до центра зоны обслуживания наиболее удаленной БС от радиуса зоны помех, учитывающее влияние разбиения зон доступа на секторы с помощью направленных антенн.

В частности, для круговых антенн γ = 1. При использовании секторных антенн допустимое расстояние до центра зоны доступа наиболее удаленной БС уменьшается γ < 1. В предельном случае (наиболее полно проявляющемся для шестисекторных направленных антенн) можно получить γ = –1. Применяя обратный пересчет, с помощью формулы (2) можно оценить максимальный относительный радиус зоны помех, при котором допустимо использование того или иного количества групп частот.