Файл: Сети и системы телекоммуникаций.pdf

Рис. 7.3: Различные замирания, аппроксимированные моделью Накагами-m
7.2 Прочие эффекты распространения
Кроме указанных эффектов распространения радиоволн в условиях
LOS и NLOS существует ряд важных эффектов, оказывающих принци- пиальное воздействие на функционирование АССиПД. Рассмотрим далее более подробно два из них - эффект Допплера и эффект многолучевого распространения.
7.2.1
Эффект Допплера
Еще одним важным эффектом, влияющим на распространение ра- диоволн и, в частности, эффективность их приема абонентской станци- ей, является т.н. Эффект Допплера. Эффектом Допплера называется изменение (т.н. уход) частоты и длины волны
9
, регистрируемых прием- ником, вызванное движением источника и приемника волн друг относи- тельно друга с существенной скоростью. При этом, в случае рассмотрения распространения электромагнитных волн (или других безмассовых ча- стиц) в вакууме рассматривается т.н. релятивистский эффект Допплера,
уравнение которого выводится из уравнений специальной теории относи-
9
Произвольных типов волн - звуковых, световых, электромагнитных и пр.
81

тельности:
ω = ω
0
·
q
1 −
v
2
c
2 1 +
v c
· cos(θ)
,
(7.5)
где c - скорость света, v - относительная скорость приемника относительно источника; θ - угол между направлением на источник и вектором скоро- сти в системе отсчета приемника. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то θ = 0, если приближается - θ = π.
Для достаточно высоких частот Допплеровское изменение частоты вычисляется по упрощенной формуле:
f d
=
v vehicle
λ
(7.6)
Согласно данной формуле для частоты сигнала в 2,4 ГГц (длина волны -
0,125 м.) и скорости транспортного средства, двигающегося со скоростью в 100 км\ч (28 м\с) Допплеровский сдвиг будет равен
28 0.125
= 224
Гц.
Эффект Допплера нашел широкое применение в практических от- раслях человеческой деятельности – ярким примером является Доппле- ровский радар, измеряющий изменение частоты сигнала, отраженного от объекта; по данному изменению частоты вычисляется радиальная состав- ляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящая через объект и радар).
7.2.2
Многолучевое распространение
В АССиПД многолучевым распространением называется эффект прихода сигнала на приемник с различных траекторий с различными коэффициентами усиления и различными временными задержками. Эф- фект многолучевого распространения возникает из-за переотражений от воды, стен зданий, эффекта атмосферного волновода
10
, отражения радио- волн от ионосферы. Именно сильное проявление эффекта многолучевого распространения приводит к глубоким замираниям по закону Рэлея и
Райса, рассмотренным выше.
Для компенсации эффекта многолучевого распространения часто ис- пользуют достаточно интересный вид приемников - RAKE
11
-приемники,
10
Атмосферный волновод - слой воздуха, непосредственно примыкающий к поверхности
Земли или приподнятый над ней, который отклоняет распространяющиеся в нем радиоволны к поверхности Земли.
11
Rake-гребешок.
82

объединяющие в одну волну компоненты группового сигнала, пришед- шие с различной задержкой. Данное название приемник получил благо- даря визуальному сходству процесса объединения с гребнем,

причесы- вающим

групповой сигнал, пришедший на принимающую станцию АС-
СиПД.
Рис. 7.4: Процесс объединения группового сигнала RAKE-приемником
83

Тема III
Планирование систем связи и основы телетраффика
84

Лекция 8
Основы частотно-территориального планирования
8.1 Основы ЧТП в АССиПД
Одной из основных задач при проектировании АССиПД является задача частотно-территориального планирования (ЧТП), решением ко- торой является структура сети для обеспечения максимально возможной телекоммуникационной нагрузки (телетрафика). Указанная задача состо- ит из двух подзадач:
• Обеспечение требуемой площади покрытия системы.
• Качественное обслуживание возможно большего количества абонен- тов.
В рамках представленного курса лекций решение задачи ЧТП пока- зывается на примере систем связи сотовой структуры
1
. Для указанного типа АССиПД границы каждой соты определяются электромагнитным взаимодействием между базовой станцией (БС) и группой абонентских станций (АС), интенсивность и характеристики которого должны быть достаточны для обеспечения заданной уверенности приема на обеих сто- ронах приемо-передающего тракта - как в восходящем
2
(от АС до БС),
так и нисходящем
3
(от БС до АС).
1
См. лекцию 1.
2
Восходящий канал связи также называется обратным. В англ. терминологии - uplink или return channel. Обратный канал практически всегда характеризуется меньшей произво- дительностью.
3
Нисходящий канал связи также называется прямым. В англ. терминологии - downlink или forward channel. Прямой канал практически всегда характеризуется большей производи- тельностью.
85

При выполнении данного условия решение задачи обеспечения каче- ственного обслуживания обеспечивается путем выделения достаточного количества абонентских каналов связи (а также возможностью их быст- рой замены при снижении надежности связи в процессе движения АС).
Корректный разнос частот (и общее распределение ресурса) для АССиПД
сотовой структуры осуществляется посредством повторного использова- ния частот в соседних кластерах - группах сот с непересекающимся набо- ром частот.
8.1.1
Типы формирования зон обслуживания
Для разделения обслуживаемой территории по зонам обслуживания базовых станций возможно использовать практически произвольные гра- фические примитивы.
Рис. 8.1: Способы формирования телекоммуникационных ячеек
Вместе с тем, наиболее подходящей фигурой для планирования яв- ляется правильный шестиугольник (гексагон), позволяющий обеспечить доступ практически ко всем участкам ограниченной зоны обслуживания при помощи антенн с круговой направленностью. При использовании гек- сагонов при ЧТП топология системы связи напоминает пчелиные соты,

Рис. 8.2: Примеры кластеров размерностей 3,4,7,12,19
В общем случае, расстояние 4 между центрами ячеек соседних кла- стеров, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с раз- мерностью кластера следующим соотношением:
4 = r
√
3N ; Q =
4
r
=
√
3N ,
(8.1)
где r - радиус ячейки
4
; Q - т.н. коэффициент уменьшения соканальных
(или внутрисистемных) помех
5
. Табулированные значения коэффициента
Q в зависимости от числа элементов (сот) в кластере N
c
(для регулярных структур кластеров) представлен в таблице ниже:
Рис. 8.3: Коэффициенты уменьшения соканальных помех
При проектировании коэффициент Q должен удовлетворять следу- ющему условию:
(q − 1)
γ
≤ SN R
ISI
,
(8.2)
4
Радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника.
5
Англ. - co-channel interference, также называется коэффициентом соканального повторе- ния.
87

где γ - коэффициент многолучевого распространения
6
; SNR
ISI
- мини- мальное соотношение сигнал-шум между полезным сигналом и соканаль- ными помехами
7 8.1.2
Определение площади зоны покрытия
Исходя из выбранной геометрической формы - правильного шести- угольника - площадь одной гексагональной соты радиуса r равна:
S
r
=
3 2
√
3r
2
(8.3)
Кластеры могут быть аппроксимированы большими шестиугольниками
(пример показан на рис. ниже).
Рис. 8.4: Аппроксимация кластеров большими шестиугольниками
При этом площадь кластера приблизительно равна при этой аппрок- симации:
S
cluster
=
3R
2 2
√
3
; R =
√
3r p
i
2
+ ij + j
2
,
(8.4)
где i и j - координаты центра рассматриваемого шестиугольника, описы- вающего кластер (выражены в количестве сот от левого нижнего края).
6
См. в модели свободного распространения.
7
Для реальных систем связи колеблется от 10 до 30 дБ.
88

8.1.3
Использование секторного покрытия
Эффективным способом снижения уровня внутрисистемных помех,
повышения повторного использования частот и абонентской емкости си- стемы является использование направленных антенн с секторными диа- граммами направленности (от 30
◦
до 120
◦
). В случае с такими антеннами излучение полезного сигнала происходит лишь в указанном секторе; наи- более распространен в реальном ЧТП способ использования 3-х сектор- ных антенн с шириной сектора в 120
◦
для каждой базовой станции и трех соседних БС с формированием девяти групп частот (на рис. ниже приве- ден данный вариант (а), а также вариант построения с 60
◦
секторными антеннами (б)).
Рис. 8.5: Варианты секторного покрытия в ЧТП
8.2 Краткая процедура ЧТП
Итак, приведем краткий алгоритм расчета ЧТП:
1 Производится определение требуемой площади покрытия.
2 Из площади покрытия, рельефа, параметров АС и БС и других параметров моделей распространения и моделей замирания
8
(уве-
8
Задача ЧТП, решаемая в современных АССиПД является многопараметрической. Уве- личение мощности передатчиков приводит не только к увеличению радиуса сот, но и к уве- личению требований к размерам кластера; размерность кластера определяет необходимость использования большего набора частот и пр. При этом следует помнить, что максималь- но возможный радиус соты определяется мощностью передатчика АС, а не БС. Мощность
89

ренности приема, чувствительности приемников и пр.) определяется максимальный радиус соты.
3 Исходя из радиуса соты и заданного допустимого соотношения сигнал-шум для многоканальных определяется размерность класте- ра.
4 Исходя из размерности кластера, имеющегося радиочастотного ре- сурса (количества каналов), плотности абонентов на единицу пло- щади и количества абонентов, одновременно обслуживаемых БС,
определяется необходимость использования секторных антенн, ли- бо уменьшения радиуса сот.
5 По местности строится карта ЧТП.
существующих коммерческих АС не превышает 1-10 мВт, что должно быть учтено при про- ектировании.
90

Лекция 9
Целевые показатели теории телетраффика
Теория телетраффика представляет собой применение теории мас- сового обслуживания
1
к вопросам планирования и определения характе- ристик различных телекоммуникационных сетей и систем. С точки зре- ния теории телетраффика любая АССиПД обслуживает поток входящего траффика от абонентов и генерирует исходящий траффик к абонентам и\или для смежных систем.
Рис. 9.1: Телекоммуникационная система с точки зрения теории телетраффика
9.1 Целевые показатели в теории телетраффика
Основной целью анализа любой АССиПД с точки зрения теории те- летраффика является нахождение баланса между тремя целевыми пока- зателями:
• Качеством обслуживания - QoS. Качество обслуживания в общем случае определяет достаточность возможностей системы связи для
1
Теория массового обслуживания (теория очередей) - раздел теории вероятностей,
целью исследования которого является рациональный выбор структуры системы обслужи- вания и процесса обслуживания на основе изучения потоков требований на обслуживание,
поступающих в систему и выходящие из нее, длительности ожидания и длины очередей.
91

обслуживаемого абонента.
• Объем траффика\загрузка канала - объем траффика, передаваемо- го по каналу связи\процент загрузки имеющихся каналов связи
2
• Системной емкостью - количеством одновременно обслуживаемых с заданным уровнем качества обслуживания абонентов.
Рис. 9.2: Ключевые показатели теории телетраффика
Качественно зависимости между данными показателями можно про- демонстрировать следующим образом:
Рис. 9.3: Качественные взаимоотношения ключевых показателей
Методы и математические модели количественной оценки данных взаимоотношений и составляют собой предмет данной лекции.
9.1.1
Качество обслуживания - QoS
Для большинства АССиПД качество обслуживания определяется че- тырьмя параметрами:
2
Данный параметр определяет требования к пропускной способности системы связи и,
следовательно, ее технологическую сложность (сложность и целесообразность реализации).
92

• Полоса пропускания (Bandwidth), описывающая номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в бит\с.
• Задержка при передаче пакета (Delay), измеряется в мсек.
• Колебание (дрожжание) задержки при передаче пакетов
(Jitter) - джиттер. Измеряется в мсек.
• Процент потерь пакетов (Packet loss). Определяет количество пакетов, потерянных в сети во время передачи.
Существует также и другое,

бытовое

понимание понятие качество об- служивания
. В этом контексте QoS - это совокупная субъективная оценка абонентом сервисов, предоставляемых системой.
9.1.2
Системная емкость и загрузка канала
При рассмотрении АССиПД как системы массового обслуживания
3
,
основными параметрами для оценки возможностей данной системы явля- ются параметры входящего потока вызовов. При этом параметры потока вызовов определяются в терминах системной емкости и загрузки канала:
• Количество вызовов, поступающих в единицу времени λ - интен- сивность вызовов или средняя частота поступления вызовов.
• Время обслуживания одного вызова T (средняя продолжитель- ность обслуживания вызова
).
• Средний траффик A = λ · T - интенсивность траффика, интен- сивность нагрузки, поток нагрузки
, Эрл. При этом 1 Эрл (эрланг
4
)
соответствует непрерывному занятию одного канала (непрерывной работе одного абонента) на протяжении часа. Для корректного рас- чета в эрлангах величина T должна измеряться в часах.
В подавляющем большинстве случаев параметры нагрузки - λ, T, A обыч- но оценивают для часа пик - т.е. часового интервала в период наибольшей нагрузки системы связи.
3
Системы, обслуживающей большое количество равноправных субъектов.
4
В честь датского математика Агнера Крарупа Эрланга, опубликовавшего в 1909 году работу

Теория вероятностей и телефонные разговоры

93

9.2 Анализ АССиПД согласно теории телетраффика
9.2.1
Свойства входящего потока вызовов
Параметры входящего потока вызовов могут иметь как дискретный,
так и непрерывный характер распределения. При этом характер распре- деления потока вызовов будет дискретным, если случайной величиной является количество вызовов λ. Соответственно, характер распределения потока обслуживания будет являться непрерывным, если случайной ве- личиной является время обслуживания вызова T .
В том случае, если случайный процесс является дискретным, от он характеризуется свойствами стационарности, последействия и ординар- ности
• Дискретный поток вызовов является стационарным, если для лю- бой группы из числа различных отрезков времени вероятность по- ступления Z вызовов на протяжении каждого из отрезков времени обслуживания t зависит только от значений Z и t и не изменяется при сдвиге всех временных отрезков на одну и ту же величину 4t,
т.е. параметры потока не зависят от времени.
• Отсутствие последействия означает, что вероятность поступле- ния Z вызовов в течение отрезка времени t не зависит от того, сколь- ко раз и как поступали вызовы ранее (количества вызовов в различ- ные отрезки времени взаимно независимы).
• Ординарность дискретного процесса вызовов является условием того, что вероятность поступления двух или нескольких вызовов за сколь угодно малый отрезок времени бесконечно мала, т.е. в один и тот же момент времени может начать реализовываться лишь один вызов. В противном случае поток вызовов называется групповым.
9.2.2
Простейший (пуассоновский) поток вызовов
В том случае, если входящий дискретный поток вызовов в АССиПД
обладает свойствами стационарности, отсутствия последействия и орди- нарности, то он является простейшим или пуассоновским. Для такого
94