Частотно-территориальное планирование сетей радиосвязи


Важнейшим этапом проектирования сетей радиосвязи является процесс частотно-территориального планирования. В ходе планирования выбираются структура сети, места размещения базовых станций, рассчитывается зона покрытия, оценивается возможность получения полос радиочастот, разрабатывается частотно-территориальный план назначения каналов для базовых станций, выполняется адаптация плана к условиям частотных ограничений со стороны спецслужб, формируются зоны обслуживания и оцениваются внутрисистемные помехи. При планировании также проверяется внешняя электромагнитная совместимость проектируемой сети с радиоэлектронными срествами других систем и возможность обеспечения требуемой ёмкости сети для обслуживания с заданным качеством.

Потенциальным заказчикам мы предлагаем услуги по разработке частотно-территориальных планов сетей радиосвязи следующих стандартов: GSM/GSM-R; Wi-Fi; WiMAX; LTE; TETRA; APCO-25; UMTS; cdma2000.

При выполнении частотно-территориального планирования сетей радиосвязи мы решаем следующие задачи:

  1. Определение зоны обслуживания сети из анализа распределения предполагаемых абонентов, оценки создаваемой ими нагрузки и доступных финансовых средств.
  2. Выбор мест установки базовых станций на базе расчетов.
  3. Расчет коэффициента повторного использования частот и разработка частотного плана.
  4. Контрольное измерение зон обслуживания. 5. Оптимизация сети в процессе эксплуатации.

Мы также оказываем консультационные услуги на начальном этапе проектирования, а именно помощь в формирований технических требований к проектируемой сети и выборе оборудования.

 

Подвижная радиосвязь

Важнейшим этапом проектирования сетей широкополосного беспроводного доступа является процесс частотно-территориального планирования. В ходе планирования выбираются окончательная структура (конфигурация) сети, места размещения базовых станций, рассчитывается возможность обеспечения радиопокрытия с заданным качеством связи, разрабатывается частотный план распределения радиоканалов для базовых станций, выполняется адаптация плана к условиям территориальных и частотных ограничений проектируемой зоны обслуживания, формируются зоны обслуживания для каждой базовой станции и сети в целом, оцениваются и минимизируются внутрисистемные помехи. Часто при планировании проверяется внешняя электромагнитная совместимость планируемой системы с РЭС других систем и возможность обеспечения требуемой емкости сети для обслуживания абонентской нагрузки.

С использованием специлизированного программного обеспечения и цифровых карта местности мы квалифицированно выполняем частотно-территориальное планирование сетей подвижной радиосвязи различных стандартов, включая DECT, TETRA, GSM, cdma2000, UMTS/HSPA+, WiMAX и LTE.

Основные этапы частотно-территориального палнирования сетей подвижной радиосвязи включают в себя:

1. Разработка требований к исходным данным

В техническом задании на выполнение ЧТП должно быть указано:

  • тип абонентов, работающих, внутри помещений и вне помещений (процентное соотношение);
  • плотность абонентов на единицу площади или плотность трафика на единицу площади;
  • потребность абонентов в скорости трафика (процентное соотношение);
  • тип передаваемого трафика;
  • тактико-технические параметры на оборудование базовых и абонентских станций согласно Формы №1 ГКРЧ;
  • объем выделенного для развертывания сети радиочастотного ресурса;
  • ограничения на высоты подвеса антенн (антенных мачт).

2. Расчет бюджета канала связи

На первом этапе частотно-территориального планирования сети беспроводного широкополосного доступа производится расчет бюджета канала связи для данного оборудования с целью определения максимально допустимых потерь в канале связи и первоначальной оценки радиуса зоны обслуживания. Расчет бюджета потерь проводиться для двух направлений: линии вниз (downlink) и вверх (uplink), а в качестве результирующего значения выбирается минимальное из рассчитанных значений.

3. Выбор структуры кластера сети

В зависимости от объема радиочастотного ресурса, выделенного оператору сети беспроводного широкополосного доступа возможны различные варианты построения топологии радиочастотного кластера. Возможные варианты структуры кластера для трехсекторных сайтов без использования частичного повторного использования частот приведены ниже.

freq_plans.jpg

4. Расчет зоны покрытия по уровню принимаемого сигнала

После того, как требования к функционированию сети сформулированы, выбраны кластерная структура и первоначальный частотный план, происходит проверка возможности размещения сайтов на выбранных местах.

Далее с использованием специализированного программного обеспечения выполняется расчет зоны радиопокрытия для направления передачи вниз (downlink) и вверх (uplink) раздельно.

В качестве инструмента прогнозирования потерь распространения радиоволн можно использовать различные статистические и квазидетерминистские математические модели распространения радиоволн. Среди них: ITU-R P.1546 , P.1812, P.526, Cost Hata, Lonley-Rice, SUI, SPM и WLL. Однозначных указаний на использование той или иной математической модели не существует и мы можем по своему усмотрению выбрать математическую модель распространения радиоволн (РРВ). Однако как показывают наши исследования, наибольшее приближение результатов прогнозирования и измерений в застройке города Минска наблюдается при использовании дифракционных моделей P.526, SPM и WLL. Ниже приведен пример расчета зон радиопокрытия сети широкополосного беспроводного доступа на территории города Минска с использованием дифракционной математической модели распространения радиоволн SPM.

coverage_by_level.jpg

5. Расчет внутрисистемных интерференций

После расчета зоны покрытия по уровням принимаемого сигнала мы проводим анализ внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) для принятой структуры сети.

Провести анализ внутрисистемной электромагнитной совместимости сети ШБД можно двумя способами:

  • рассчитать с использованием модели МСЭ-R P.452 зоны помех от базовых станций абонентским станциям, базовым станциям на которых назначены те же рабочие частоты; провести те же вычисления, только за источник помех принять абонентские станции, а за рецептор помех – базовые станции;
  • рассчитать с использованием специализированного программного обеспечения зоны покрытия по уровням C/(I+N) - "сигнал/помеха"для направлений передачи downlink и uplink. Подобный расчет в качестве примера приведен ниже.

coverage_by_C_I.jpg

6. Планирование зон хэндовера

Работа мобильной широкополосной сети при перемещении абонентов из зоны покрытия одной базовой станции в другую обязательно предусматривает выполнение процедуры хэндовера. Возможны два варианта технической реализации хэндовера в оборудовании: мягкий и жесткий. Мягкий хэндовер представляет собой переключение абонентской станции с одной базовой станции на другую, причем разрыв соединения с первой базовой станцией происходит после установления связи абонентской станцией со второй базовой станцией. Жесткий хэндовер характеризуется потерей соединения абонентской станции и первой базовой станции, после чего устанавливается соединение абонентской станции со второй базовой станцией.

Для четкой отработки процедуры хэндовера необходимо выполнить планирование зон хэндовера между зонами покрытия соседних секторов (сайтов). Планирование в данном случае заключается в уменьшении излишнего перекрытия соседних зон покрытия при сохранении формы зоны радиопокрытия отдельных секторов.

7. Расчет качественных показателей покрытия сетей подвижной радиосвязи

На заключительном этапе планирования сети подвижной радиосвязи производиться расчет ее качественных параметров функционирования и представляется в виде карты покрытия, наложенной на зону обслуживания по выбранному критерию.

К основным показателям качества работы мобильной беспроводной сети относятся: скорость передачи данных и коэффициент битовой ошибки (каждый из параметров рассчитывается раздельно для направлений downlink и uplink) .

coverage_by_BER.jpg

Фиксированная радиосвязь

Расчет радиорелейных линий в режиме «точка - точка» в диапазоне частот 100 МГц – 100 ГГц с учетом географических и климатических факторов по показателям качества и готовности.

  • Расчет линий и сетей фиксированного беспроводного доступа (ФБД) в режимах «точка - точка» и «точка - многоточка» для частотного и временного дуплекса в любых частотных диапазонах.
  • Построение и анализ профиля местности для городских и загородных условий на основе ЦКМ векторных и растровых форматов, топографических карт и спутниковых снимков Земли.
  • Рекомендации по высотам антенных опор и оборудованию.

Profile.png

Радиорелейные линии (РРЛ)

Схема беспроводного доступа

Фиксированный беспроводный доступ (ФБД)

Производится расчет как линий прямой видимости (открытых), так и линий с дифракционными потерями (полуоткрытых и закрытых). Учитываются условия возникновения замираний (гладких и частотно-селективных) вследствие многолучевого распространения радиоволн и субрефракции, поглощения и рассеяния в осадках. Учет частотно-селективных замираний (на основе метода сигнатуры) позволяет производить расчеты для линий со скоростями до 155 Мбит/с.

Расчет потерь на полуоткрытых и закрытых трассах может осуществляться как в автоматическом режиме, так и в режиме ручной настройки модели рельефа. Для линий прямой видимости в ручном режиме предусмотрен детальный анализ условий возникновения отражений от подстилающей поверхности с учетом ее проводимости, диэлектрической проницаемости, неровности и пространственного положения участка отражения. Возможен как ручной ввод, так и автоматическое определение проводимости и диэлектрической проницаемости по типу подстилающей поверхности, а также географических и климатических параметров для заданных координат мест размещения станций (используются встроенные цифровые карты БР МСЭ-R).

Расчет может осуществляться с использованием нескольких вариантов ввода данных по рельефу:

  • импорт профиля с цифровых карт стандарта SRTM;
  • импорт профиля, полученного в других ГИС;
  • построение профиля с использованием встроенной электронной линейки, позволяющей вводить данные по рельефу (отсчетов расстояний и высот, а также растительности, местных предметов и водной поверхности) с отсканированных листов обычных топографических карт, отсчет расстояний при этом выполняется автоматически;
  • ручной ввод в табличном виде.

Проведение расчетов обеспечивается для любой конфигурации современного радиорелейного оборудования, включая поддержку расчетов для случаев:

  • пространственного разнесения,
  • частотного разнесения,
  • пространственно-частотного и углового разнесения,
  • а также передачи на ортогональной поляризации.

Расчет проводится в соответствии с рекомендациями Бюро Радиосвязи МСЭ-R: Р.530, Р.527, Р.526, P.841, P.310, P.453, P.525, P.836, P.1510, P.676, P-838, F.752, F-1093.

Основные результаты расчета:

  • показатель качества по ошибкам в периоды готовности линии (SESR,%) и его составляющие (гладкие и частотно-селективные замирания) для углового, пространственного, частотного и пространственно-частотного разнесения;
  • показатель неготовности (Кнг, %);
  • медианный уровень высокочастотного сигнала на входе приемника;
  • запас уровня высокочастотного сигнала на входе приемника;
  • постоянные составляющие потерь на трассе и др.

GSM-R

GSM-R – это современный международный стандарт профессиональной связи для железной дороги. В рамках данного стандарта предусмотрено использование единых полос частот для разных стран. Сеть GSM-R представляет комплексные решения для выполнения функций голосовой связи, автоматизации движения поездов, передачи служебной информации и обеспечения безопасности движения. Таким образом, внедрение сети данного стандарта интегрирует систему железнодорожной связи страны в единую мировую систему связи, что особенно важно при международном сообщении. Качественная голосовая связь повысит эффективность работы персонала, уменьшит текущие расходы на эксплуатацию несовместимого оборудования связи. Автоматизация движения поездов повысит пропускную способность железной дороги и эффективность использования железнодорожных путей. В целом же внедрение системы повысит безопасность и эффективность железнодорожного сообщения, уменьшит количество аварийных ситуаций и увеличит доходы. GSM-R обладает существенными преимуществами по сравнению с аналоговыми системами связи и стандартом TETRA, поскольку разрабатывался специально как единый стандарт связи для железных дорог и учитывает все особенности и требования связи для железнодорожных дорог.

opportunitys.jpg

Первоочередным видом связи в сети стандарта GSM-R является связь с машинистом поезда. Для организации данного вида связи на крыше локомотива устанавливается антенна, а в кабине машиниста устанавливается локомотивный терминал. В качестве персонального средства связи для работников железных дорог выступает мобильный телефонный аппарат GSM-R. Решения GSM-R включает в себя оборудование опорной сети коммутации каналов (коммутатор с распределенной структурой для обслуживания голосовых вызовов) и коммутации пакетов (коммутатор и шлюз для предоставления сервиса GPRS), оборудование сети радио доступа (контроллер базовых станций и базовые станции), терминальное оборудование (мобильные телефоны стандарта GSM-R) и подсистему управления. Ниже приведена архитектура сети GSM-R.

double_layer.jpg

За основу стандарта GSM-R взят стандарт подвижной радиосвязи общего пользования GSM, дополненный функциями для железных дорог в соответствии со спецификациями проекта EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network):

  • передача сигнализации ETCS (European Train Control System);
  • голосовая радиосвязь и передача данных в условиях движения со скоростями до 450 км/ч;
  • наличие функции группового вызова;
  • управление приоритетами вызовов и механизм срочного вызова;
  • наличие функциональной адресации в зависимости от местоположения абонента;
  • использование специально выделенных полос радиочастот.

Широкие функциональные возможности GSM-R и высокие скорости движения поездов накладывают жесткие требования к качеству покрытия, ЭМС, времени хэндовера и другим техническим параметрам. Так, согласно EIRENE, на входе локомотивного приемника рекомендуется с вероятностью 95% обеспечить уровень мощности сигнала не менее -92 дБм на линиях с ETCS 2/3 уровня при скорости движения поезда до 280 км/ч. Вероятность блокировки вызовов согласно EIRENE должна быть не более 0.5%. Процедуры хэндовера должны выполняться с вероятностью не менее 99.5%

На этапе проектирования сетей GSM-R мы решаем следующие задачи:

  • обследование и выбор мест для размещения сайтов сети GSM-R;
  • расчет зон обслуживания для локомотивных и мобильных станций;
  • расчет распределения абонентской нагрузки на железнодорожных перегонах по проектируемым сайтам;
  • расчет внутрисистемных помех и разработка частотно-территориального плана.

Для удовлетворения высоких требований по надежности связи на ж/д, выбор мест установки базовых станций производился с 50%-м перекрытием зон покрытия соседних сайтов. В результате вся зона обслуживания проектируемой сети фактически имеет двойное покрытие. Схематическое изображение данной топологии сети приведено на следующем рисунке.

Схема беспроводного доступа

Специалистами ОАО "Гипросвязь" проводилась работа по разработке частотно-территориального плана и проекта по электромагнитной совместимости сети GSM-R для Белорусской железной дороги на участке "Минск-Молодечно-Гудогай".

Решение подобных задач, учитывая жесткие требования заказчика по надежности, резервированию и двойному покрытию зон обслуживания, проводилось впервые в Республике Беларусь. В ходе выполнения частотно-территориального планирования в г. Минске, как наиболее сложном участке сети, нами были разработаны уникальные принципы планирования с учетом выполнения жестких условий ЭМС, которые в дальнейшем могут быть применены при проектировании сетей GSM-R на других участках железной дороги, включая сложные транспортные развязки.

WI-FI "под ключ"

ОАО "Гипросвязь" предоставляет услуги по полному циклу проектирования сетей радиодоступа стандарта Wi-Fi. Нашими специалистами разработана методика проектирования и оптимизации сетей Wi-Fi. Опытные специалисты, отличное измерительное оборудование и программное обеспечение позволяют проектировать сети Wi-Fi “под ключ” любой сложности и назначения на высоком уровне.

Наши специалисты помогут вам:

  • сформировать технические требования;
  • выбрать оборудование Wi-Fi;
  • выполнить предпроектное обследование (измерение уровня интерференций и преварительной зоны радиопокрытия);
  • провести проектирование сети;
  • выполнить монтажные и пусконаладочные работы;
  • выполнить контрольные измерения зоны радиопокрытия;
  • оформить регистрацию сети в государственной инспекции по электросвязи.

При проектировании сетей Wi-Fi нами решаются следующие основные задачи:

1. Формирование технических требований:

  • для абонентских устройств (количество беспроводных абонентов, плотность их размещения, интенсивность трафика, тип трафика);
  • по типу установки сети (планировка помещений, тип строительных материалов, меcта подключения);
  • по требованиям безопасности;
  • по топология сети (централизованная/децентрализованная);
  • особенности частотного планирования (ограничения, накладываемые характеристиками оборудования, учет других РЭС, совместно использующих полосу радиочастот, а также ограничений, накладываемых радиочастотными органами).

2. Выбор оборудования.

На основании сформированных в п.1 требований производиться подбор оборудования в соответствии с необходимостью обеспечения определенных услуг:

  • обеспечение стандартной пропускной способности (54 Мбит/с на точку доступа) с качеством коллизионного доступа абонентов к среде передачи
  • традиционное оборудование Wi-Fi стандартов IEEE 802.11 b/g;
  • обеспечение максимально возможной в локальных беспроводных сетях пропускной способности (до 600 Мбит/с на точку доступа) за счет использования расширенных до 40 МГц радиочастотных каналов и технологии сложных антенных систем MIMO – оборудование стандарта IEEE 802.11n;
  • обеспечение требуемого качества предоставляемых услуг – оборудование стандарта IEEE 802.11e;
  • cоздание самоконфигурирующейся ячеистой сети в соответствии с технологией MESH – оборудование стандарта IEEE 802.11s;
  • cоздание универсальной и совместимой системы роуминга для предоставления мобильному пользователю возможности перехода из зоны обслуживания одной сети в другую – оборудование стандарта IEEE 802.11r.

3. Эскизное проектирование. Формирование первоначальной структуры сети и первоначального плана размещения сетевого оборудования.

4. Предпроектное обследование (измерение зоны радиопокрытия) для беспроводных сетей, работающих внутри помещений:

  • подтверждение и уточнение мест установки точек доступа с учетом размещения различных радиоотражающих и радиопоглощающих материалов в зоне покрытия сети;
  • уточнение спецификации оборудования (количество точек доступа, тип антенн, кабеля и т.п.);
  • определение оптимального радиорежима между сегментами сети (радиочастотные каналы, уровни мощности, плоскости поляризации и т.д.).

5. Предпроектное моделирование зоны радиопокрытия для беспроводных сетей, работающих вне помещений. С использованием существующих математических моделей распространения радиоволн производится расчет зон покрытия точек доступа. При расчете зоны покрытия для широкополосных сетей, работающих вне помещений, следует учитывать, что наибольше влияние в составляющую потерь вносят эффекты отражения от стен зданий, дифракции на ребрах зданий и проникновения в здания, а также рассеивания и поглощения в растительности. Рельеф земной поверхности допустимо не учитывать в расчетах.

6. Рабочее проектирование (план размещения сетевого оборудования, результаты частотного планирования и измерения/моделирования зон покрытия сети, монтажная документация и др.)

7. Монтажные и пусконаладочные работы.

8. Контрольное измерение зоны радиопокрытия.

9. Регистрация сети в государственной инспекции по электросвязи. При необходимости - согласование с Министерством обороны Республики Беларусь.

10. Ввод беспроводной сети в эксплуатацию.

С целью обеспечения качественного радиопокрытия и оптимизации мест установки точек доступа мы выполняем экспериментальное измерение зон покрытия внутри помещений, включающее следующие процедуры:

1. Создание цифрового плана помещения. На первом этапе подготовки исходных данных необходимо создать цифровой план проектируемого объекта с использованием различных графических или конструкторских пакетов, где затем предполагается размещение точек доступа сети Wi-Fi.

План офиса

Пример этажа здания офисного типа

2. Размещение точек доступа на проектируемом объекте. На данном этапе производиться первичное размещение точек доступа Wi-Fi на всей территории проектируемого объекта с учетом площадей отдельных офисов (общая рекомендация – средний радиус покрытия точки доступа 35 метров), материалов стен (средние потери проникновения радиоволн сквозь кирпичную стену – 8 дБ, железобетонную – 12 дБ), типы офисных дверей (средние потери проникновения радиоволн сквозь тяжелую металлическую дверь – 15 дБ, деревянную – 11 дБ), а также прочие предметы, находящиеся внутри офисов, способные вносить потери на пути распространения радиоволн.

3. Назначение радиочастотных каналов. Частотное планирование точек доступа производиться в соответствии с рисунком 4, а также с учетом уровня шумов от других РЭС, совместно использующую данную полосу. Общая рекомендация – назначение рабочих частотных номиналов соседним точкам доступа производиться через 5 каналов (вследствие фактической ширины занимаемой спектра 20 МГц). Можно использовать готовые шаблоны, приведенные на рисунке ниже, либо в каждом конкретном случае разработать свой частотный план, не нарушая при этом общей рекомендации.

Частотный план сети

Возможные частотные планы сетей Wi-Fi в полосе 2,4-2,4835 ГГц

4. Измерение уровней сигналов и шумов с отображением на плане этажа. С использованием различных существующих аппаратно-программных комплексов предназначенных для экспериментального планирования сетей Wi-Fi на план проектируемого объекта наносятся уровни сигналов принимаемых терминальными устройствами от точек доступа, а также контролируются при этом уровни шумов в канале.

На рисунках ниже приведены результаты экспериментальных измерений зоны покрытия беспроводной сети Wi-Fi для одного офиса с отображением уровней принимаемого сигнала. и зона покрытия того же офиса с дополнительно указанными параметрами качества функционирования сети:

  • отношение сигнал/шум на входе приемника, дБ;
  • скорость передачи данных на физическом уровне, Мбит/с;
  • процент повторных запросов на передачу пакетов, %;
  • процент потерянных пакетов, %.

Зона покрытия в здании

Результаты экспериментальных измерений зоны покрытия беспроводной сети

Зона покрытия wi-fi  офиса

Результаты экспериментальных измерений зоны покрытия беспроводной сети с детализацией параметров качества в выбранной области

Если в результате проведенных измерений отсутствуют зоны с высокими уровнями шумов на выбранных каналах и результирующее покрытие удовлетворяет техническим требованиям на проектирование, выбранный частотно-территориальный план принимается. В противном случае итерационно выполняется изменение первоначального частотного плана и/или мест размещения точек доступа с последующим измерением зоны покрытия и контролем уровней шумов пока фактические экспериментальные результаты не станут удовлетворять требованиям технического задания на проектирование беспроводной сети.