Проектирование сети сотовой связи — одна из классических задач в курсовых работах по телекоммуникациям. На первый взгляд, она может показаться громоздкой, но в ее основе лежит четкая инженерная логика. Расчет первого приближения является ключевым этапом, который определяет всю дальнейшую архитектуру сети. В этой статье мы пошагово разберем весь процесс на примере конкретного технического задания (ТЗ) для города Ханты-Мансийск. Мы пройдем «за руку» по всем основным разделам: от анализа исходных данных до разработки структурной схемы, чтобы вы могли уверенно выполнить собственный проект.
Пример технического задания:
- Город: Ханты-Мансийск
- Стандарт: GSM-900
- Выделенный частотный диапазон: 20%
- Монтируемая емкость сети: 15%
- Вероятность отказа в обслуживании: 5%
- Нагрузка на одного абонента в ЧНН: 0,025 Эрл
- Объем вызовов на МТС и ГТС: 5% и 10% соответственно
Итак, получив техническое задание, первое, что необходимо сделать — это тщательно его проанализировать и рассчитать ключевые входные параметры для дальнейшего проектирования.
Как правильно проанализировать задание и определить исходные данные
Фундамент любого проекта — это правильная интерпретация исходных данных. В нашем ТЗ есть несколько ключевых показателей, которые напрямую влияют на будущую конфигурацию сети. Давайте разберем их.
Центральным понятием здесь является нагрузка на сеть. Она измеряется в специальных единицах — Эрлангах. Говоря простым языком, 1 Эрланг — это нагрузка, эквивалентная одному непрерывно занятому каналу связи в течение одного часа. В нашем случае нагрузка на одного абонента в Час Наибольшей Нагрузки (ЧНН) составляет 0,025 Эрл. Это означает, что в среднем каждый абонент пользуется связью 2,5% времени в самый загруженный час.
Чтобы понять, сколько всего каналов нам потребуется, нужно рассчитать суммарную нагрузку от всех абонентов. Для этого сначала определяется количество абонентов, которых должна обслуживать сеть. Этот параметр напрямую связан с монтируемой емкостью сети, которая в нашем задании составляет 15%. Этот процент обычно берется от общей численности населения в зоне покрытия, но для курсового проекта мы будем оперировать им как базовым показателем.
Следующий важный параметр — вероятность отказа в обслуживании (5%). Он показывает, какой процент вызовов может быть заблокирован из-за того, что все каналы заняты. На основе этого показателя и суммарной нагрузки с помощью специальных таблиц Эрланга (или формулы Эрланга-B) определяется необходимое количество каналов связи (трафика). Расчеты показывают, что для обслуживания заданной нагрузки с вероятностью отказа не более 5% нам потребуется определенное число каналов. Эти каналы в дальнейшем нужно будет распределить по базовым станциям.
Теперь, когда у нас есть понимание требуемой емкости сети, мы можем перейти к ее «земному» воплощению — территориальному планированию.
Разрабатываем территориальный план сети
Территориальный план определяет, сколько базовых станций (БС) потребуется для покрытия заданной территории и обслуживания всей нагрузки. Основа этого плана — концепция сот, или ячеек, каждая из которых обслуживается одной базовой станцией.
Сначала нужно определить емкость одной соты. В стандарте GSM используется технология TDMA (многостанционный доступ с временным разделением каналов). Это означает, что каждая несущая частота разделяется на 8 временных слотов (позиций). Часть этих слотов используется для служебной информации, а остальные — для передачи голоса или данных. Исходя из стандартной конфигурации оборудования, мы можем рассчитать, сколько каналов трафика может предоставить одна базовая станция.
Зная общую требуемую нагрузку из предыдущего шага и емкость одной соты, мы можем рассчитать необходимое количество сот по простой формуле:
Количество сот = Общая нагрузка на сеть / Нагрузка, обслуживаемая одной сотой
Полученное число определяет минимальное количество БС для обеспечения емкости. Но сеть должна еще и обеспечивать покрытие. Для этого вводится понятие радиуса соты (R). Этот параметр показывает, на каком максимальном удалении от БС абонент сможет получить качественный сигнал. Выбор радиуса — это компромисс: чем он больше, тем меньше базовых станций нужно для покрытия той же площади, но тем выше требования к мощности передатчика и чувствительности приемника. Площадь, покрываемая одной сотой, рассчитывается по геометрической формуле (часто используется модель шестиугольника для идеализированного покрытия). Зная общую площадь города, можно рассчитать количество БС, необходимое для географического покрытия. Итоговое количество базовых станций выбирается как максимальное из двух расчетов (по емкости и по покрытию).
Мы определили, сколько базовых станций нам нужно и какого они должны быть радиуса. Но будет ли сигнал от этих станций достаточным для абонента? Чтобы это проверить, выполним расчет баланса мощностей.
Выполняем расчет баланса мощностей для определения радиуса соты
Расчет баланса мощностей, или энергетического бюджета радиолинии, — это ключевой этап, который подтверждает жизнеспособность выбранного радиуса соты. Его суть проста: мощность сигнала, дошедшего до приемника, должна быть выше его порога чувствительности, с учетом всех возможных потерь на трассе распространения.
Для расчета потерь в условиях городской застройки часто применяется модель Хата. Это эмпирическая формула, которая учитывает основные факторы, влияющие на затухание сигнала. Она позволяет рассчитать потери распространения (Lp) в децибелах (дБ) и выглядит достаточно сложно, но ее компоненты логичны:
Lp = A + B * log10(R) — C
Где:
- A — это базовые потери, которые зависят от частоты (f) и высоты антенны базовой станции (HБС). Чем выше частота и ниже антенна, тем больше этот компонент потерь.
- B * log10(R) — этот член описывает затухание сигнала с увеличением расстояния (R) от базовой станции. Коэффициент B также зависит от высоты антенны БС.
- C — это поправочный коэффициент, зависящий от высоты антенны абонентской станции (HАС) и типа местности (малый город, мегаполис).
Для нашего проекта в стандарте GSM-900 мы подставляем соответствующие значения: частоту около 900 МГц, типичную высоту антенны БС (например, 30-50 метров) и высоту абонентского терминала (1.5 метра). Проведя расчет, мы определяем максимально допустимые потери, при которых сигнал еще будет качественным. Затем, используя формулу Хата, мы вычисляем максимально возможный радиус соты (R), при котором эти потери не превышаются. Это значение необходимо сравнить с радиусом, который мы выбрали на этапе территориального планирования. Если расчетное значение оказалось больше или равно выбранному — наш территориальный план корректен. Если меньше — необходимо уменьшать радиус соты и пересчитывать количество БС.
Мы убедились, что наша сеть может обеспечить покрытие. Теперь нужно сделать так, чтобы базовые станции не мешали друг другу. Для этого разработаем частотный план.
Создаем частотный план для исключения помех
После того как мы определили количество и расположение базовых станций, необходимо распределить между ними доступный частотный ресурс. Главная задача на этом этапе — минимизировать соканальную помеху. Она возникает, когда приемник абонента улавливает сигналы не только от «своей» базовой станции, но и от другой, работающей на той же самой частоте.
Основной метод борьбы с этой помехой — принцип повторного использования частот (frequency reuse). Весь выделенный оператору диапазон частот делится на группы, которые объединяются в так называемый кластер. Внутри одного кластера каждая сота работает на уникальном наборе частот. Этот же кластер затем многократно повторяется по всей территории покрытия. Чем дальше друг от друга расположены соты, работающие на одинаковых частотах, тем ниже уровень соканальной помехи.
Для нашего проекта нам выделено 20% частотного диапазона GSM-900. Стандарт GSM-900 имеет 124 дуплексных канала. Таким образом, в нашем распоряжении будет примерно 25 каналов. Эти каналы нужно распределить по сотам внутри кластера. Например, при использовании популярного 7-сотового кластера на каждую базовую станцию придется по 3-4 частотных канала. Этого достаточно для обслуживания расчетной нагрузки.
Для дополнительной борьбы с интерференцией и повышения качества связи в сетях GSM применяются и другие методы:
- Разнесение сот: Одноименные соты из соседних кластеров располагаются на максимальном удалении друг от друга.
- Медленное переключение рабочих частот (SFH): Этот механизм позволяет абонентскому терминалу быстро переключаться между разными частотами, что делает сигнал более устойчивым к замираниям и помехам.
Мы рассчитали и спланировали основные параметры сети. Финальный шаг перед оформлением записки — собрать все элементы воедино в виде структурной схемы.
Как выглядит структурная схема спроектированной сети
Структурная схема визуализирует иерархию и взаимосвязи всех элементов спроектированной сети. Понимание этой структуры является ключевым для защиты курсовой работы. Сеть стандарта GSM иерархична и состоит из трех основных подсистем.
- Подсистема базовых станций (BSS — Base Station Subsystem). Это «полевой» уровень сети, отвечающий за радиосвязь.
- Базовые станции (BTS — Base Transceiver Station): Рассчитанное нами количество БС. Они напрямую взаимодействуют с мобильными телефонами абонентов.
- Контроллер базовых станций (BSC — Base Station Controller): Управляет группой базовых станций, распределяет каналы, контролирует хэндовер (передачу абонента от одной БС к другой).
- Подсистема коммутации (NSS — Network Switching Subsystem). Это «мозг» сети, который управляет вызовами и данными абонентов.
- Центр коммутации (MSC — Mobile Switching Centre): Главный узел, подобный обычной телефонной станции. Он маршрутизирует вызовы внутри сети, а также на внешние сети (ГТС, МТС).
- Регистры HLR и VLR: Базы данных, хранящие информацию об абонентах, их услугах и текущем местоположении.
- Центр технического обслуживания (OMC — Operation and Maintenance Centre). Обеспечивает мониторинг, управление и техническое обслуживание всей сети.
На структурной схеме для нашего проекта необходимо изобразить рассчитанное количество БС, объединить их в группы под управлением нескольких BSC, которые, в свою очередь, подключены к одному MSC. От MSC следует показать выходы на городскую телефонную сеть (ГТС) и междугороднюю (МТС), как того требовало техническое задание.
Теперь, когда все расчеты выполнены и структура сети определена, можно переходить к оформлению финального документа.
Заключение и выводы по работе
В рамках этой статьи мы прошли полный цикл расчетного проектирования сети GSM, который является основой для любой курсовой работы в данной области. Мы последовательно выполнили все ключевые шаги: начали с анализа технического задания, определили требуемую нагрузку в Эрлангах, затем перешли к территориальному планированию, где рассчитали необходимое количество базовых станций для города Ханты-Мансийск. С помощью модели Хата мы верифицировали выбранный радиус соты через расчет баланса мощностей, подтвердив корректность нашего плана покрытия.
Далее мы разработали принципы частотного плана на основе кластерного подхода для минимизации помех и, наконец, свели все элементы в единую структурную схему сети. Полученные результаты — итоговое количество БС, подтвержденный радиус соты и схема распределения частот — являются главными итогами проекта.
При оформлении пояснительной записки и защите работы самое важное — не просто представить цифры, а продемонстрировать понимание логики каждого этапа и взаимосвязи между ними. Успехов!