автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка элементов системы анализа ЭМС и определение оптимального местоположения базовых станций сетей сотовой связи в сельской местности

На правах рукописи

Логвинов Александр Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭМС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО

МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ

Специальность 05.12.13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543904

Самара-2013

005543904

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тяжев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Карташевский Вячеслав Григорьевич

доктор технических наук, профессор, декан факультета «Телекоммуникаций и радиотехники», заведующий кафедрой «Мульти-сервисные сети и информационная безопасность» ФГОБУ ВПО ПГУТИ

Севостьянов Сергей Викторович

кандидат технических наук, заместитель начальника научно-технического центра ФГУП Самарского филиала «Самарское отделение научно-исследовательского института радио» г. Самара

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет», г. Самара.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ. Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д219.003.02 доктор технических наук, профессор

Мишин Д. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В результате бурного развития сотовых сетей связи во всем мире количество абонентов в последние годы росло в них практически по экспоненциальному закону. За последние 15 лет оно увеличилось примерно до 5-6 млрд. Для огромного числа людей сотовый телефон стал незаменимым как в личной жизни, так и в профессиональной деятельности. Сети сотовой связи явились эффективным катализатором общественных процессов, способствуя ускорению решения многочисленных проблем, возникающих в разных сферах жизни.

Интенсивное развитие систем персональной радиосвязи привело к их значительной концентрации. Следствием этого явилось усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) и возрастание как внутрисистемных (внутри одной сети), так и межсистемных (между различными сетями) помех, что вызвало проблему совместного функционирования радиоэлектронных средств. Перспективы развития сетей персональной радиосвязи, в том числе сотовой, в значительной степени зависят от корректного и рационального планирования их взаимного расположения, проводимого с помощью специальных геоинформационных систем.

При планировании сетей сотовой связи важной задачей является оптимальное расположение базовых станций (БС). При этом необходимо выполнение условия ЭМС, обеспечивающего нормальную совместную работу спроектированных БС и работающих в этом районе технических средств.

В настоящее время разработано достаточное количество методов и методик решения задачи размещения БС. Критерии оптимального расположения БС и их обеспечение исследовались в работах Шорина O.A., Вишневского В.М., Шахновича И.В. и др. Но в них задача определения оптимального расположения БС решалась в основном для городских условий, где необходимо учитывать большую плотность населения в отдельных районах, изменяющийся во времени трафик, многолучевость и др. В качестве критерия оптимального расположения БС, как правило, выступает максимальное число абонентов, обслуживаемых ими.

Для сельской местности, где число абонентов невелико, целесообразно размещать БС таким образом, чтобы обеспечить максимальную зону (площадь) уверенного приема при их фиксированном числе. Таким образом, условия оптимального расположения БС для сельской местности и для городских условий принципиально различаются.

Для Российской Федерации характерно огромное количество территорий с низкой плотностью населения, относящихся к сельской местности. Обеспечение максимально возможной площади уверенного приема при заданном числе БС является важной, но в тоже время специфической задачей, характерной для нашей страны. Решение этой проблемы позволит существенно снизить экономические затраты при проектировании сетей сотовой связи, обеспечивающих устойчивую связь на больших территориях с низкой плотностью населения.

Работа соответствует п. 14 «Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций» в части областей исследования согласно паспорта специальности 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций».

Целью диссертационной работы является разработка и исследование элементов системы проектирования, позволяющей решать задачи ЭМС и оптимизации положения базовых станций в сельской местности по критерию максимизации зоны уверенного приема. Для этого необходимо разработать такие алгоритмы и программы расчета площади уверенного приема, которые обеспечили бы необходимую точность, достоверность вычислений и практическую реализацию при проектировании сетей сотовой связи (ССС) в сельской местности.

В связи с вышеизложенным можно выделить следующие основные задачи диссертационной работы:

- сравнительная оценка существующих методик расчета электромагнитной совместимости и расположения базовых станций в сетях сотовой связи;

- разработка программного продукта, позволяющего на основе существующих методик и исходных данных (поляризации антенн, мощности передатчиков, минимальной напряженности поля в точке приема и т.д.) оценить ЭМС различных радиоэлектронных средств (РЭС);

- расчет зоны уверенного приема в сетях сотовой связи для сельской местности;

- оптимизация сети сотовой связи в сельской местности при помощи разработанных элементов системы проектирования, позволяющих определять ЭМС РЭС и обеспечить максимальную площадь зоны уверенного приема при заданном числе БС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В работе предложен новый критерий для оптимального расположения базовых станций в сети сотовой связи для сельской местности, обеспечивающий максимальную площадь зоны уверенного приема при заданном числе базовых станций.

2. Для определения площади зоны уверенного приема в сетях сотовой связи в сельской местности в работе разработан новый алгоритм, в котором применена теория поверхностей и методика расчета электромагнитных полей, учитывающие рельеф местности и условия распространения радиоволн.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается следующим:

- для оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств использованы апробированные на практике методики и рекомендации, а также проведено сравнение полученных автором результатов с экспериментальными данными, полученными другими исследователями;

- при исследовании работы алгоритма определения оптимального местоположения БС применялось моделирование на ЭВМ и производилось сравне-

ние полученных результатов с данными, приведенными в литературе и экспериментально подтвержденными в организациях, где использовались материалы диссертации.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке программного продукта, позволяющего на основе существующих методик исследовать электромагнитную совместимость как однородных РЭС, так и РЭС различного назначения;

- в разработке алгоритмов и программы, позволяющих определить ЭМС и проектировать сети сотовой связи в сельской местности с оптимальным расположением БС по критерию максимизации зоны уверенного приема. Такие сети обеспечивают высокую эксплуатационную эффективность — максимум зоны уверенного приема при фиксированном числе БС.

В работе использованы положения теории поверхностей, условия распространения радиоволн и электромагнитной совместимости РЭС.

Результаты диссертационной работы в виде программного продукта и конкретных расчетных данных нашли применение в открытом акционерном обществе «Средневолжская межрегиональная ассоциация радиотелекоммуникационных систем» и в филиале ФГУП «Радиочастотный центр» Приволжского федерального округа, о чем свидетельствуют полученные акты о внедрении.

Результаты работы внедрены также в учебный процесс на кафедре радиосвязи, радиовещания и телевидения Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 15 таблиц. В списке литературы 71 наименование.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критерий оптимального расположения БС в сельской местности, обеспечивающий максимальную зону уверенного приема при заданном числе БС.

2. Применение теории поверхностей и методики расчета электромагнитных полей для определения площади зоны уверенного приема в сетях сотовой связи в сельской местности.

3. Алгоритм расчета оптимального расположения базовых станций в сельской местности по критерию максимума зоны уверенного приема с учетом рельефа местности.

Основные результаты работы обсуждались на XV- XIX Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2008-2012 г.г.; IX Международной научно-технической конференции, г.Уфа, 2010г.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журнале «Инфокоммуникационные технологии», включенном в пе-

речень ВАК, и свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, показана новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 "Обзор существующих методик расчета электромагнитной совместимости и оптимального расположения базовых станций сетей сотовой связи" вначале сделан обзор современных методик расчета ЭМС. Решение задачи определения оптимального местоположения БС невозможно без предварительной оценки электромагнитной обстановки (ЭМО) района. Оценка ЭМС проектируемых БС и существующих РЭС позволяет определить зоны, где нельзя устанавливать БС. Основным методом оценки ЭМС является математическое моделирование, в том числе компьютерный эксперимент, проводимый на основе математических моделей излучений радиопередатчиков (РПД), восприимчивости радиоприемников (РПУ), характеристик антен-но-фидерных устройств (АФУ), условий распространения радиоволн с учетом рельефа местности, различных шумовых и помеховых воздействий, а также процессов взаимовлияния РЭС друг на друга.

Существуют детерминированный и статистический подходы к оценке ЭМС. Детерминированный подход к оценке ЭМС РЭС заключается в анализе "дуэльных ситуаций", когда оценка ЭМС производится для двух РЭС с известными параметрами, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. Выделяют также "комбинационные ситуации", когда взаимные помехи образуются в группе из трех и более РЭС.

В работе поставлена и решается следующая задача: задана группа однородных РЭС {N1), I = 1 ...Ы, размещенных в территориальном районе (А х А) таким образом, что матрица взаимных удалений имеет вид ||йу||, Яу 0,1,у = 1 ••■ М, а степень взаимовлияния РЭС в дуэльных ситуациях определяются функцией частотно-территориального разноса Д/у(йу), допускающей аппроксимацию релейной функции вида:

= Д/о[©(КоО - - до)], (1)

где А/о - минимально допустимая частотная расстройка при 0 < Яу < Д0, Я0 - максимальная дальность взаимовлияния, ©(Д)-функция Хевисайда:

Г 1,приЯ>0, \0, при Я <0.

Соотношение (1) характеризует взаимовлияние РЭС в дуэльной ситуации с учетом основных каналов излучения и приема.

Принципиальным недостатком детерминированных способов оценки ЭМС является невозможность анализа большой совокупности взаимодействующих РЭС с априорно неизвестными параметрами, что характерно для

систем сотовой связи. Однако, для оценки возможности установки БС в исследуемом районе сельской местности с учетом ЭМС, он вполне применим.

В случае большой плотности БС и абонентов, что характерно для городской застройки, более предпочтителен статистический подход к оценке ЭМС, где необходимо учитывать многократное переотражение сигнала, различную плотность и время распределения трафика.

Статистический подход к оценке ЭМС основан на задании статистических распределений параметров РЭС (координаты, частоты, мощности излучений и др.), расчете статистических характеристик ЭМО и статистической оценке воздействия ЭМО на РЭС.

Известные методики для определения расположения базовых станций ССС разработаны для городской застройки.

В сельской местности с низкой плотностью населения нет необходимости решения вопроса обеспечения необходимого трафика в сети, а площадь территории большая. В этом случае критерием оптимального расположения БС разумным и наиболее целесообразным является максимальная зона уверенного приема при заданном числе БС. Решение данной задачи возможно при определении границ уверенного приема сигнала от БС до расположенных на исследуемой территории мобильных станций (МС).

Задача расположения БС по критерию максимальной зоны уверенного приема при заданном числе БС ранее не решалась. Для ее решения возможно применение нескольких известных методов, рассмотренных в работе.

Метод сеток. При расчете площади уверенного приема методом сеток вся зона покрытия БС разбивается на элементарные площадки, как это показано на рис.1.

Рис.1. Разбиение зоны действия БС на элементарные площадки (метод сеток)

Вся зона покрытия БС разбивается на секторы, число секторов выбирается в пределах от 360 до 720. Затем на эту зону наносят концентрические окружности с определенным шагом приращения радиуса. Минимальный радиус определяется ближней зоной, максимальный радиус определяется допустимым запаздыванием радиосигнала от БС до МС (для стандарта GSM - до 35 км). Выбор шага сектора и приращения радиуса определяется рельефом местности.

После процедуры разбиения зоны действия БС определяются координаты центров элементарных площадок (на рисунке 1 показаны точками) и решается задача: есть ли прием сигнала от БС до МС, находящейся в центре элементарной площадки или его нет. Если прием есть, то вся площадь этой

площадки вносится в суммарную площадь уверенного приема БС. Если приема нет, то площадь данной площадки не вносится в суммарную площадь уверенного приема данной БС.

Достоинством описанного метода является простота алгоритма определения площади уверенного приема в зоне действия данной БС. Недостаток -увеличение площади элементарных площадок по мере удаления от БС, следовательно, снижение точности вычислений.

Метод типовых фигур. Идея метода типовых фигур состоит в том, чтобы значительно увеличить площади элементарных площадок, но при этом сохранить точность определения суммарной площади уверенного приема БС.

Вся площадь зоны действия БС разбивается на секторы в зависимости от сложности рельефа местности. Если перепад высот составляет менее 0,5Ь на 1км, где Ь — высота подвеса антенны БС, то сектора можно выбирать с шагом 20°; если 11, то 10° и т.д. (см. табл. 1).

Таблица 1

№ п/п Перепад высот на 1 км Угловая величина сектора

1 0,511 20°

2 Ь 10и

3 1,5Ь 5°

4 2Ь 3°

5 ЗЬ 2°

Так как рельеф местности несимметричен относительно БС, то сечения рельефа в вертикальной плоскости для каждого азимута будут различаться (см. рис. 2), а области тени могут иметь произвольный вид относительно азимутов.

¡-ом секторе воспользуемся формулой:

к

Бп1 - ^ 7=1

где 5Я.. - площадь >ой фигуры в секторе ь

Формы типовых фигур в каждом ¡-ой секторе могут иметь вид, как это показано на рис. 3.

Треугольник

Трапеши^ Трапеши 1

Рис.3. Формы типовых фигур

Определим в каждом i-ом секторе тип фигуры и в зависимости от значений Дг1; Дг2 а также Дф-j ее площадь, а затем суммируем эти площади и получаем значение Sn.. Проделав эту процедуру для всех секторов, получаем площадь уверенного приема для конкретной БС.

= ИГ=1 $Пг

Число площадок Sn.. в каждой зоне действия БС составит в зависимости от значения Дц> величины (18 -s- 180) ■ кср, где кср - среднее число площадок в секторе, для которых имеется уверенный прием сигнала БС.

Реализация метода типовых фигур требует наличия программного блока распознавания образа (фигуры), что само по себе является сложной задачей и подобно методу сеток, точность вычислений падает по мере удаления от БС.

В главе 2 "Исследование электромагнитной совместимости различных сетей сотовой связи" на основе существующих методик и рекомендаций разработан алгоритм и программа исследования ЭМС сетей сотовой связи.

Уравнение ЭМС РЭС известно и может быть записано в следующем виде: Рж-РаЬА + к-У2-1>а (2)

где Рщн - чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт; А - защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ; k-{j2-l)-a- запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ; Ра/- мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.

РоГ Ppn^GPna((pPnM)+ Српм(<ррпд)+ирпд+ Upni/r N(SJ) - L(R), (3) где /^.ад-мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт; Gpna(4>pny)- коэффициент усиления антенны РПД в направлении на РПУ, дБ; Gpny(<ppnji)- коэффициент усиления антенны РПУ в направлении на РПД, дБ; Uг ¡уUрП\— затухание в антенно-фидерном тракте РПД и РПУ, дБ; N(8f) - ослабление радиопомехи в линейном тракте РПУ, дБ; Sf=fpwrfpry- частотная расстройка, МГц; L(R) - потери на трассе распространения сигналов от источника радиопомех) к РПУ (рецептору радиопомех), дБ. Зависимость ослабления помехи от расстройки 8/вычисляется по формуле

7V(<T) = 10-Ig c-\s{f)-K2-{f-sr)dtf

(4)

где С - нормировочный коэффициент;

S(f) - спектр сигнала радиопередатчика;

K(f) - нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика).

При расчете ЭМС использовалась модель Окамура-Хата для распространения радиоволн в сетях сотовой связи.

На основе выражений, используемых для исследования межсистемного взаимодействия сотовых систем связи и детерминированного подхода к оценке ЭМС РЭС, разработаны алгоритм и программа, позволяющая оценивать ЭМС различных типов РЭС и БС сетей сотовой связи. Данное программное средство зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов и программ [4].

Программа позволяет на основе технических характеристик БС и различных типов РЭС (несущей частоты, типа поляризации антенн, высоты их подъема, мощности передатчика, приоритетности и т.д.) и особенностей среды распространения радиосигнала (типа местности) оценить электромагнитную обстановку заданного района. При определении оптимального расположения БС разработанная программа определяет зоны, где недопустима их установка из-за взаимного влияния уже действующих в этом районе РЭС и проектируемых БС с точки зрения ЭМС.

В главе 3 "Применение теории поверхностей и методики расчета электромагнитных полей для определения местоположения базовых станций в сельской местности" предлагается математическая модель, разработанная на основе теории поверхностей, которая позволяет оптимизировать расположение БС сетей сотовой связи с точки зрения максимизации зоны уверенного приема.

Имеем две поверхности, одна из которых является поверхностью рельефа местности, а вторая воображаемая поверхность образована фронтом радиоволн, излучаемых антенной БС. Эти две поверхности в некоторых областях примыкают друг к другу, т.е. имеют общие точки (рис. 4а). Это области уверенного приема, где связь между БС и МС будет уверенной. На рис. 46 показаны эти же зоны уверенного приема в горизонтальной плоскости, причем радиус окружности соответствует границе зоны уверенного приема.

Для пересеченной местности мы имеем z= fix,у), где z — высота точки поверхности с координатами х, у. Эти данные представлены в табличном виде и являются результатом геодезической съемки.

Для вычисления площади уверенного приема исследуется плоскость распространения радиоволн БС, перпендикулярная земной поверхности. При этом происходит исследование точек пересечения прямых, находящихся в этой плоскости распространения радиоволн и прямых, перпендикулярных поверхности в исследуемых координатах местности. Если высота точки пересечения ниже высоты рельефа, то прямой видимости нет, т.е. данный участок находится в области тени, если выше — прямая видимость есть.

Область уверенного приема

а)

б)

Рис. 4. а) Рельеф местности и области уверенного приема, б) Зоны уверенного приема и зоны, находящиеся в тени

Пересекающиеся прямые а (находится в плоскости распространения радиоволн) и Ъ (перпендикулярная поверхности) заданы уравнениями двух пересекающихся плоскостей, т.е. прямая а определяется системой вида

(Агх + Вгу + Схг + К = 0 а прямая Ъ системой {Азх + В3у + С3г + й = О {А2х + В2у + С2г + О = 0 {Аах + В4у + САг + И = О

Координаты точки пересечения прямых а и Ъ представляют собой решение системы линейных уравнений (Агх + Вгу + Сгг + О = О | А2х + В2у + С2г + О = О | А3х + В3у + С3г + 0 = 0 {А4х + В4у + Слг + £> = О

Прямая видимость между БС и МС является гарантией того, что в точке нахождения МС есть уверенный прием сигнала от этой БС. Точки пересечения прямых и точка нахождения БС на плоскости ОХУ образуют зоны уверенного приема или тени в виде треугольника (рис.5).

(5)

В В

Рис.5. Зоны уверенного приема и тени (серый цвет)

Площадь уверенного приема БС определяется формулой:

Sy.ii.-X $Дп ~ X ^Лт ,

(6)

где ЬДп - значение площади уверенного приема, ограниченной вершинами треугольника, в м2; Бд,.. - значение площади теневой зоны, ограниченной вершинами треугольника, в м2.

Для рис. 5 площадь уверенного приема рассчитывается по формуле:

Sy.il. = $ДЕОР + ЗдоАВ - 8доСО

Шаг исследования выполнения условия прямой видимости между БС и МС, а значит, и площадь исследуемых зон, зависят только от кривизны поверхности. Т.о. вышеописанный метод определения площади уверенного приема является усовершенствованным методом типовых фигур, лишенным его недостатков: оперируем только треугольниками, площадь исследуемых зон не зависит от удаленности от БС.

По завершению процесса исследования местности по критерию прямой видимости, необходимо вычисленные области тени исследовать на возможность приема сигнала от БС с учетом условий распространения радиоволн. Для этого определяется значение напряженности поля, создаваемого сигналом БС в зоне тени в ранее исследованных точках Емс и сравнивается с требуемым значением Етр. Оно зависит от чувствительности приемника МС. Если Емс> Етр, то можно сделать вывод о том, что в данной точке будет прием сигнала от БС, если Емс< Етр, то нет.

В условиях свободного пространства напряженность поля МС определяется формулой Е0= где Ьп — среднеквадратическая величина напряженности поля, в дБ по отношению к мкВ/м; R - расстояние, в км; Ру -излучаемая мощность, в дБ по отношению к 1 Вт.

Pv=P+G-r|, где Р - мощность передатчика, в дБ по отношению к 1Вт; G -коэффициент усиления передающей антенны в направлении на приемную антенну, в дБ по отношению к изотропной антенне; г| — затухание в фидере, в дБ.

В реальных условиях напряженность поля отличается от Е0. Это отличие учитывается множителем ослабления V, где V= Емс- Е0. Множитель ослабления включает в себя все эффекты, связанные с распространением радиоволн, вызывающие изменение величины напряженности поля. При расчете множителя ослабления учитывается суммарное ослабление сигнала в зоне прямой видимости и суммарное ослабление сигнала при дифракционном распространении радиоволн. Не учитывается суммарное ослабление сигнала вследствие тропосферного распространения радиоволн, т.к. в данном случае сигнал передается земной волной и суммарное ослабление сигнала вследствие рассеяния радиоволн осадками, т.к. это ослабление в основном сказывается на частотах выше 4 ГГц. Для расчета множителя ослабления применялись методики, рекомендованные Государственной комиссией по радиочастотам (протокол №05-09 от 24.10.2005 г.).

В главе 4 "Оптимальное расположение базовых станций в сельской местности с учетом электромагнитной совместимости" разрабатывается алгоритм для решения задачи выбора расположения базовых станций ССС при смешанном типе рельефа местности с учетом ЭМС. Здесь же рассмотрены вопросы создания системы, позволяющей использовать как имеющиеся программные продукты, так и алгоритмы и программы, предложенные автором. Так же в этой главе описывается эксперимент, подтверждающий правомерность использования методики определения уверенного приема от БС, описанной в главе 3.

Для эксперимента был выбран район холмистой местности с перепадом высот более 100 м на 3 км. Уровень сигнала БС, расположенной в н.п. Шен-тала, проверялся вдоль автомобильных дорог (рис. 6). Участки красного цвета — сигнала нет, участки светло-коричневого цвета — сигнал очень слабый, желтого цвета - слабый, остальные цвета — сигнал достаточный для уверенного приема. В результате сравнения эксперимента и расчета было определено, что рассчитанные значения отличаются от измеренных в интервале от 0% до 7%.

Рис.6. Уровень сигнала БС вдоль Рис.7. Определение уверенного приема

автомобильных дорог от КС по методике гл. 3

На рис. 7 представлены результаты расчетов определения уверенного приема от БС н.п. Шентала в 2-х направлениях до автомобильных дорог, где экспериментально определены значения электромагнитного поля сигнала. Зеленый цвет - участки местности, где есть прямая видимость (уверенный прием). Желтый цвет - прямой видимости нет, но с учетом распространения радиоволн вероятность приема - 50%, красный цвет - приема нет. При сопоставлении измеренных и рассчитанных значений оказалось, что рассчитанные участки зеленого цвета совпали с измеренными участками зеленого и синего цвета. Рассчитанные участки желтого цвета совпали с измеренными участками желтого и светло-коричневого цвета, а рассчитанные участки красного цвета совпали с измеренными участками светло-коричневого и красного цвета. Это подтверждает правильность разработанной модели для расчета зоны уверенного приема.

Алгоритм определения площади уверенного приема от заданного числа БС в сельской местности с учетом вышеприведенных рассуждений и использованием предложенной математической модели, приведен на рис. 8.

В базу данных входят географические параметры данной местности (трехмерные координаты местности (х, у и г), тип рельефа местности, его свойства) и технические характеристики БС.

При выборе координат БС учитываются следующие факторы: предпочтительный район размещения (близость дорог, населенных пунктов, главенствующие высоты и т.д.), техническая возможность размещения (водоемы, крутые склоны, другие факторы). Затем проверяется возможность размещения БС с точки зрения ЭМС с действующими РЭС, определяется шаг исследования плоскости распространения радиоволн от БС по осям х и у.

Следующим шагом определяется граница зон уверенного приема и рассчитывается площадь уверенного приема от БС. Аналогичные операции проводятся для остальных БС. Затем рассчитывается общая площадь уверенного приема всех БС. Оптимальное расположение БС определяется путем их перемещения и сравнения полученных результатов. Выбираются координаты, при которых суммарная площадь уверенного приема была наибольшей. По окончанию работы алгоритма определяются участки уверенного приема и их общая площадь, а так же проверяются области тени с учетом распространения радиоволн. В этих областях определяются участки, где есть прием с вероятностью 50%, и где приема нет.

На рис. 9 приведен фрагмент работы разработанного алгоритма для двух базовых станций при сложном рельефе местности.

Рис.9. Результат работы алгоритма

Для исследуемого участка местности при оптимальном расположении БС соотношение площади уверенного приема и общей площади исследуемой поверхности составило 68%, а минимальное соотношение - 37%.

Определение оптимального расположения БС — сложная задача, для решения которой необходимо решение нескольких подзадач. Все они должны быть объединены в единую систему, обязательными элементами которой являются расчет максимальной зоны уверенного приема при заданном числе БС, а так же анализ ЭМС проектируемых БС и существующих РЭС на этой территории.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана программа, позволяющая на основе существующих методик оценить ЭМС различных РЭС. Для определения расположения БС программа оценивает взаимное влияние проектируемой БС и уже действующих в данном районе РЭС с точки зрения ЭМС.

2. Для определения зоны уверенного приема в сетях сотовой связи сельской местности с учетом рельефа местности использована математическая модель на основе теории поверхностей и методики расчета электромагнитных полей, которая позволяет определить площадь уверенного приема БС.

3. Разработан алгоритм расчета сети сотовой связи по критерию максимизации зоны уверенного приема. Область применения алгоритма — проектирование сетей сотовой связи в местности с низкой плотностью населения и перепадами высот не более 500 метров.

4. Предложено использование разработанных программ и методик для оценки ЭМС РЭС и для определения местоположения базовых станций сетей сотовой связи в качестве элементов единой системы проектирования ССС. Применение такой системы позволяет учесть многообразие и разнородность условий, возникающих при решении задачи оптимального расположения БС.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Логвинов А. В., Тяжев А. И. Методы оптимального присвоения частот [Текст]/Логвинов А. В., Тяжев А. И.// XV рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докл., Самара, 2008. —Самара, 2008.— С. 132-133.

2. Логвинов А. В. Оптимизация расположения базовых станций систем сотовой связи стандарта 3G [Текст]/ Логвинов А. В.// XVI рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докл., Самара, 2009. — Самара, 2009. - С. 133-134.

3. Логвинов А. В. Оптимизация числа базовых станций в условиях сильно пересеченной местности [Текст] / Логвинов А. В.// Инфокоммуникационные технологии. - 2009. - №2. - С.41-45. - ISSN 2073-3909.

4. Логвинов А. В. Оптимизация расположения базовых станций в сетях поколения 3G// Свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса № 00182.

5. Логвинов А. В. Алгоритмический подход к вопросу оптимизации расположения базовых станций в сетях сотовой связи с учетом обеспечения ЭМС [Текст]/ Логвинов А. В.// XVII рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докл., Самара, 2010. -Самара, 2010. - С. 122-123.

6. Логвинов А. В. Экспертная оценка анализа электромагнитной совместимости и оптимального места расположения базовых станций сетей сотовой связи [Текст] / Логвинов А. В.// Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: тез. докл. IX МНТК, Уфа, 2010. -Уфа, 2010. -С.204-205.

7. Логвинов А. В. Алгоритмический подход к вопросу оптимизации расположения базовых станций в сетях поколения 3G [Текст] / Логвинов А. В.// Инфокоммуникационные технологии. - 2010. - №4. - С.64-67. - ISSN 2073-3909.

8. Логвинов А. В. Эспертная система анализа оптимального местоположения базовых станций сетей сотовой связи [Текст]/ Логвинов А. В.// XVIII рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докл., Самара, 2011. — Самара, 2011. — С. 137.

9. Логвинов А. В. Алгоритм оптимизации расположения антенн базовых станций сотовой связи в сельской местности [Текст] / Логвинов А. В.// Инфокоммуникационные технологии. - 2012. - №1. - С.69-73. - ISSN 2073-3909.

10. Логвинов А. В. Оптимизация расположения базовых станций сотовой связи в сельской местности [Текст]/ Логвинов А. В.// XIX рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докл., Самара, 2012. - Самара, 2012. -С. 129.

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования ' Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" 443010. г. Самара, ул. Льва Толстого 23

Подписано в печать 19.11.13г. Формат 60 х 84/16 Бумага офсегаая№1. Гарнитура Тайме. Заказ 1639. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,91. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090. г. Самара, Московское шоссе 77, т. (846) 228-00-44

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

04201451502

ЛОГВИНОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭМС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ В СЕЛЬСКОЙ

МЕСТНОСТИ

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - «Системы, сети и устройства

ДИССЕРТАЦИЯ

телекоммуникаций».

Научный руководитель: д.т.н., профессор Тяжев А. И.

Самара - 2013

Оглавление

Введение............................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор существующих методик расчета электромагнитной совместимости и оптимального расположения базовых станций сетей сотовой связи..................................10

1.1 Современные подходы к решению задачи ЭМС..........................................................10

1.1.1 Представление условий взаимовлияния РЭС в виде реберного графа.....................12

1.1.2 Алгоритмы точного и приближенного решения задачи раскраски графа...............13

1.1.3 Присвоение частот сетям сотовой связи..........................................................................15

1.2 Примеры существующего ПО, применяемого для оценки ЭМС сетей сотовой связи.................................................................................................................................................19

1.3 Методики определения оптимального расположения базовых станций сетей сотовой связи..................................................................................................................................23

1.4 Методы расчета площади уверенного приема по критерию прямой видимости между антеннами БС и МС..........................................................................................................25

1.4.1 Метод сеток............................................................................................................................25

1.4.2 Модифицированный метод сеток.....................................................................................27

1.4.3. Метод типовых фигур.........................................................................................................29

Выводы к главе 1...........................................................................................................................32

Глава 2. Исследование электромагнитной совместимости различных сетей сотовой связи 33

2.1. Особенности проблем ЭМС..................................................................................................33

2.2 Уравнение ЭМС РЭС..............................................................................................................35

2.3 Нормы частотно-территориального разноса РЭС............................................................39

2.4 Модели распространения сигналов, используемые при анализе ЭМС и проектировании сетей подвижной связи..................................................................................43

2.4.1 Модели распространения, рекомендованные МСЭ......................................................44

2.4.2 Модель Окамура-Хата.........................................................................................................46

2.5 Расчет межсистемной ЭМС..................................................................................................48

2.5.1 ЭМС сотовых систем связи ЕС8М-900 и СБМА-800.....................................................49

2.6 Алгоритмический подход к вопросу ЭМС различного типа РЭС и БС сетей сотовой связи 58

Выводы к главе 2...........................................................................................................................62

Глава 3. Применение теории поверхностей и методики расчета электромагнитных полей для определения местоположения базовых станций в сельской местности..........64

3.1. Математическая модель сильно пересеченной местности.............................................64

3.2 Построение геометрической модели криволинейной поверхности.........................74

3.2.1 Определение символов Кристоффеля..............................................................................75

3.3 Сравнительный анализ методов определения оптимального расположения БС. 80

3.4 Методики, применяемые для определения напряженности поля в точке приема 82

3.4.1. Методика расчета суммарного ослабления сигнала при фиксированном положении пунктов передачи и приема в полосах частот 1-60 ГГц...................................83

3.4.2 Методы расчета суммарного ослабления сигнала в зоне прямой видимости........84

3.4.3 Методы расчета суммарного ослабления сигнала при дифракционном распространении радиоволн.......................................................................................................88

3.4.4 Критерии, определяющие применяемый метод расчета..............................................89

Выводы к главе 3...........................................................................................................................97

Глава 4. Оптимальное расположение базовых станций на рельефе сельской местности с учетом электромагнитной совместимости...............................................................................98

4.1. Алгоритм определения прямой видимости между БС и МС........................................99

4.2 Определение площади уверенного приема.......................................................................102

4.3 Экспериментальное подтверждение правильности выбранной модели....................103

4.4. Разработка математической модели алгоритма оптимизации...........................105

4.5. Алгоритм определения площади уверенного приема при заданном числе БС в сельской местности.....................................................................................................................111

4.6. Алгоритм оптимального расположения базовых станций в качестве элемента экспертной системы....................................................................................................................116

Выводы к главе 4.........................................................................................................................119

Заключение...................................................................................................................................120

Список использованных источников информации.............................................................124

Приложение П1............................................................................................................................131

Приложение П2............................................................................................................................134

Введение

В результате бурного развития сотовых сетей связи во всем мире количество абонентов последние годы росло в них практически по экспоненциальному закону. За последние 15 лет оно увеличилось примерно до 5-6 млрд. Такие темпы роста не имеют прецедента в истории электросвязи и выглядят действительно чудом. Для огромного числа людей сотовый телефон стал незаменимым как в личной жизни, так и в вопросах, связанных с их профессиональной деятельностью. Сети сотовой связи явились эффективным катализатором общественных процессов, способствуя ускорению решения многочисленных проблем, возникающих в разных сферах жиз-ни[1].

Интенсивное развитие систем персональной радиосвязи привело к их значительной концентрации. Следствием этого является усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) и возрастание как внутрисистемных (внутри одной сети), так и межсистемных (между различными сетями) помех, что вызывает проблему совместного функционирования радиоэлектронных средств. Перспективы развития систем персональной радиосвязи, в том числе сотовых, в значительной степени зависят от корректного и рационального планирования, проводимого с помощью специальных геоинформационных систем. Однако развитие технологий планирования, включающих оценку электромагнитной совместимости (ЭМС), отстает от развития радиотелекоммуникационных систем, что приводит к накоплению проблем создания таких систем.

При планировании сетей сотовой связи важной задачей является оптимальное расположение базовых станций (БС). При этом необходимо выполнение условия ЭМС, обеспечивающего нормальную совместную работу спроектированных БС и работающих в этом районе технических средств.

В настоящее время разработано достаточное количество методов и методик решения задачи размещения БС. Критерии оптимального располо-

4

жения БС и их обеспечение исследовались в работах Шорина O.A., Вишневского В.М., Шахновича И.В. и др. Но в них задача определения оптимального расположения БС решалась в основном для городских условий, где необходимо учитывать большую плотность населения в отдельных районах, изменяющийся во времени трафик, многолучевость и др. В качестве критерия оптимального расположения БС, как правило, выступает максимальное число абонентов, обслуживаемых ими.

Для сельской местности, где число абонентов невелико, целесообразно размещать БС таким образом, чтобы обеспечить максимальную зону (площадь) уверенного приема при их фиксированном числе. Таким образом, условия оптимального расположения БС для сельской местности и для городских условий принципиально различаются.

Для Российской Федерации характерно огромное количество территорий с низкой плотностью населения, относящихся к сельской местности. Обеспечение максимально возможной площади уверенного приема при заданном числе БС является важной, но в тоже время специфической задачей, характерной для нашей страны. Решение этой проблемы позволит существенно снизить экономические затраты при проектировании сетей сотовой связи, обеспечивающих устойчивую связь на больших территориях с низкой плотностью населения.

В настоящий момент разработано достаточное количество методов и методик решения указанных задач [2]. Однако они не универсальны и позволяют решать задачи ЭМС и определения оптимального расположения БС для частных случаев или задачи решаются с некоторыми допущениями и погрешностями, либо разработаны только для городских условий.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование элементов системы проектирования, позволяющей решать задачи ЭМС и оптимизации положения базовых станций в сельской местности по критерию максимизации зоны уверенного приема. Для этого необходимо разра-

ботать такие алгоритмы и программы расчета площади уверенного приема, которые обеспечили бы необходимую точность, достоверность вычислений и практическую реализацию при проектировании сетей сотовой связи (ССС) в сельской местности.

В связи с вышеизложенным можно выделить следующие основные задачи диссертационной работы:

- сравнительная оценка существующих методик расчета электромагнитной совместимости и расположения базовых станций в сетях сотовой связи;

- разработка программного продукта, позволяющего на основе существующих методик и исходных данных (поляризации антенн, мощности передатчиков, минимальной напряженности поля в точке приема и т.д.) оценить ЭМС различных радиоэлектронных средств (РЭС);

- расчет зоны уверенного приема в сетях сотовой связи для сельской местности;

- оптимизация сети сотовой связи в сельской местности при помощи разработанных элементов системы проектирования, позволяющих определять ЭМС РЭС и обеспечить максимальную площадь зоны уверенного приема при заданном числе БС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В работе предложен новый критерий для оптимального расположения базовых станций в сети сотовой связи для сельской местности, обеспечивающий максимальную площадь зоны уверенного приема при заданном числе базовых станций.

2. Для определения площади зоны уверенного приема в сетях сотовой связи в сельской местности в работе разработан новый алгоритм, в котором применена теория поверхностей и методика расчета электромагнитных полей, учитывающие рельеф местности и условия распространения радиоволн.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается следу-

ющим:

- для оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств использованы апробированные на практике методики и рекомендации, а также проведено сравнение полученных автором результатов с экспериментальными данными, полученными другими исследователями;

- при исследовании работы алгоритма определения оптимального местоположения БС применялось моделирование на ЭВМ и производилось сравнение полученных результатов с данными, приведенными в литературе и экспериментально подтвержденными в организациях, где использовались материалы диссертации.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке программного продукта, позволяющего на основе существующих методик исследовать электромагнитную совместимость как однородных РЭС, так и РЭС различного назначения;

- в разработке алгоритмов и программы, позволяющих определить ЭМС и проектировать сети сотовой связи в сельской местности с оптимальным расположением БС по критерию максимизации зоны уверенного приема. Такие сети обеспечивают высокую эксплуатационную эффективность -максимум зоны уверенного приема при фиксированном числе БС.

В работе использованы положения теории поверхностей, условия распространения радиоволн и электромагнитной совместимости РЭС.

Результаты диссертационной работы в виде программного продукта и конкретных расчетных данных нашли применение в открытом акционерном обществе «Средневолжская межрегиональная ассоциация радиотелекоммуникационных систем» и в филиале ФГУП «Радиочастотный центр» Приволжского федерального округа, о чем свидетельствуют полученные акты о внедрении.

Результаты работы внедрены также в учебный процесс на кафедре радиосвязи, радиовещания и телевидения Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования и двух приложений, в целом содержит 136 страниц текста, в том числе 32 рисунка и 15 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критерий оптимального расположения БС в сельской местности, обеспечивающий максимальную зону уверенного приема при заданном числе БС.

2. Применение теории поверхностей и методики расчета электромагнитных полей для определения площади зоны уверенного приема в сетях сотовой связи в сельской местности.

3. Алгоритм расчета оптимального расположения базовых станций в сельской местности по критерию максимума зоны уверенного приема с учетом рельефа местности.

Основные результаты работы обсуждались на XV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2008г., XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2009г., XVII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2010г., IX Международной научно-технической конференции, г. Уфа, 2010 г., XVIII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2011г., XIX Российской научной конференции профессорско-

преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2012г.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журнале «Инфокоммуникационные технологии», включенном в перечень ВАК, и свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.

Глава 1. Обзор существующих методик расчета электромагнитной совместимости и оптимального расположения базовых станций сетей сотовой связи

1.1 Современные подходы к решению задачи ЭМС

Решение задачи определения оптимального местоположения БС невозможно без предварительной оценки электромагнитной обстановки (ЭМО) района. Оценка ЭМС проектируемых БС и существующих РЭС позволяет определить зоны, где нельзя устанавливать БС.

Задача оценки ЭМС возникает в процессе анализа состояния и управления частотно - пространственным ресурсом и является одной из основных составляющих в процессе частотно-территориального планирования (ЧТП) систем радиосвязи - рационального назначения рабочих частот, сочетаемого с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС [3].

Задача оценки ЭМС систем сотовой связи требует комплексного подхода, заключающегося в наличии следующих этапов: математического моделирования РЭС, математического моделирования ЭМО, анализа реакции РЭС на ЭМО. При этом необходимо учитывать множество различных факторов, в том числе случайных. Важнейшими из них являются: особенности распространения радиоволн в приземном канале радиосвязи, способ множественного доступа, флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомехи.

Существуют детерминированный и статистический подходы к оценке

ЭМС.

Детерминированному подходу, посвящены работы [3,4]. Классический детерминированный подход к оценке ЭМС РЭС заключается в анализе "дуэльных ситуаций", когда оценка ЭМС производится для двух РЭС с известными параметрами, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднаме-

ренных радиопомех. Выделяют также "комбинационные ситуации", такие случаи, когда взаимные помехи образуются в группе из трех и более РЭС. Принципиальным недостатком детерминированных способов оценки ЭМС является невозможность анализа большой совокупности взаимодействующих РЭС с априорно неизвестными параметрами, что характерно для систем сотовой связи.

В общем случае необходимо оценивать совокупное воздействие множества независимых сигналов на РЭС, характеризующихся различными структурами и алгоритмами функционирования, а также наличием слу�