Автореферат магистерской работы

тема: "CDMA сегмент телефонной сети общего пользования для территоррий с низкой плотностью населения"

В связи с тем, что при глобальной телефонизации акцент делается на развитие сетей центральных районов и деловых центров, малонаселенные территории остаются в стороне. Кроме того, существование нетелефонизированных районов обуславливается нехваткой номерной емкости АТС, т.е., в связи с быстрым ростом количества абонентов, а также их потребностей в получении услуг качественной телефонной связи остро стоит вопрос о быстром преодолении проблемы расширения емкости сетей ТфОП.

Для решения таких проблем предлагается предоставление услуг телефонии с помощью построения фиксированной сети стандарта CDMA, которая позволит:

- лучшее перекрытие и высокую пропускную способность при меньшем числе сот в сети, что соответственно уменьшает сроки построения сети;

- уменьшить капитальные затраты, так как радиодоступ дает возможность сократить сроки строительства абонентской сети, быстрее вводить ее в эксплуатацию, а значит, уменьшить сроки окупаемости;

- обеспечить потребности быстро растущих пригородов и дачных поселков, малых городов и редконаселенной сельской местности без развитой инфраструктуры электросвязи;

- обеспечить трансформацию в сеть мобильной связи при необходимости.

Целью данной магистерской работы является построение CDMA сегмента телефонной сети общего пользования для территорий с низкой плотностью населения.

Задачи разработки:

- разработка модели CDMA сегмента сети;

- исследование характеристик сегмента сети;

- моделирование состояния сети при различных флуктуациях трафика;

- выбор методики оптимизации структуры сети и адаптация ее под конкретный прогноз;

- разработка рекомендаций по выбору оборудования базовых станций, антенного тракта, коммутационного оборудования.

Разговоры о технологии CDMA начались в Америке в 50-х годах ХХ века, а сейчас она уже применяется и в Украине. Но ее внедрение происходит для территорий с быстро возрастающей плотностью населения и ориентирована она в основном на предоставление услуг связи бизнес – абонентам. Но в сложившейся на данный момент ситуации даже в крупных городах существуют нетелефонизированные районы, где остро стоит вопрос телефонизации. И решение этого вопроса проблематично, хотя и необходимо, так как, большинство потенциальных пользователей живут именно в таких районах. Проблематика заключается в сложности прокладки кабеля в отдаленные районы, перегруженности телефонных канализаций или их отсутствии, больших капитальных затратах на построение абонентской сети в силу ее отдаленности. Однако, данная разработка позволит решить проблему телефонизации отдаленных малонаселенных районов. Для этого предлагается построение беспроводной CDMA сети и ее внедрение, что должно привести к увеличению доходов оператора, и качества предоставления услугсвязи.

1.ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

1.1.Обзор протоколов мультидоступа

Цифровая радиосвязь характеризуется возможностью многостанционного доступа или мультидоступа, что подразумевает одновременную передачу информации через одно устройство многими пользователями в общем канале. При этом разделение общего канала может происходить по частоте (FDMA), времени (TDMA) и коду (CDMA).

При частотном разделении спектр передачи разделяется на участки, которые выделяются для разных пользователей. Только этот метод может быть использован при аналоговой связи. На этом методе основанные все аналоговые стандарты сотовой связи: NMT, AMPS, TACS и др. Недостатки таких систем сейчас очевидные: плохая помехозащищенность и связаные с ней невысокое качество передачи разговоров, неэффективное использование дефицитного радиоспектра, отсутствие защиты от прослушивания и др. Самым распространенным аналоговым стандартом в мире пока остается AMPS.

В случае мультидоступа с временным разделением каналов абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время, которое разрешает увеличить объем языкового трафика и получить ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. На этом методе основанны такие узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM и его разновидность DCS, а также D-AMPS.

Однако узкополосные системы имеют ряд недостатков. Во-первых, они не всегда обеспечивают высокое качество в условиях многолучевого приема, когда из-за сложного рельефа местности или интенсивной городской застройки возникают многочисленные переотражения радиосигнала. Во-вторых, не всегда качественным есть передача вызова от ячейки до ячейки, в результате чего происходит ухудшение качества или даже прерывание связи. В третьих, сотовые системы FDMA и TDMA всегда требуют огромных усилий на радиочастотное планирование с целью исключения наличия тех самых радиочастот в соседних ячейках. Необходимость установки новой базовой станции может привести к необходимости радиочастотного перепланирования всей сети. Объективно во всех сотовых системах качество обслуживания вызовов снижается по мере того, как растет число абонентов, поскольку это требует уменьшения размеров сот, что крайне тяжело при ограниченном количестве радиочастот. Не меньшие неприятности операторам доставляет концентрация большого количества абонентов в одной области , которая ведет к локальной перегрузке сети из-за отсутствия свободных каналов связи.

Рисунок 1-Распределение общего канала

CDMA (систему с кодовым разделением каналов ) называют широкополосною системой, а сигналы, которые проходят в эфире- шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время разговаривают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга. Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 МГц) сигнала- помехи узкого диапазона, сигнал будет принят почти неизмененный. За счет помехоустойчивого кодирования утерянные данные система восстановит..

В одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГЦ можно разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для фиксированных сетей. Много это или мало? Попробуем сравнить емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется, что для такого сравнения нужно ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГЦ) разделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не большим ли получилось число, чем 18.

(1,25:0 ,03 = 42 > 18).

Значит, что сравнение не в пользу CDMA? Однако это неверный вывод, поскольку, при работе в стандарте AMPS каналы, организованные в семи ячейках, которые являются соседними, должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат нужно разделить на семь:

(42:7 = 6).

Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS.

1.2.Типовые решения, применяемые при построении сети на малонаселенных территориях

Построение сети CDMA в районе с низкой плотностью населения имеет свои особенности.

При построении системы CDMA не нужно никакого частотного планирования, а соседние станции могут использовать те же радиочастоты. Таким образом, снимается часть проблем, которые являются начальными для планировщиков сетей других технологий , связанных с необходимостью обеспечения оптимального частотного разноса всех секторов базовых станций.

При проектировании выполняется привязка системы к реальной территории. Для этого следует осуществить сбор данных о площади, характере местности, количестве населения, характере его размещения, потребительских способностях, сделать предварительные расчеты ожидаемого количества абонентов. При расчетах нагрузки учитывается категория района, и речевая активность абонентов, которая зависит от временисуток.

Одной из проблем, которые решается при проектировании CDMA системы, является проблема покрытия, т.е. обеспечение заданного соотношения сигнал- шум, которое является количественным показателем качества работы системы. Для удовлетворительной работы CDMA сети необходимо свести к минимуму общий уровень помех, для чего предлагается использование направленных антенн для абонентских станций (по направлению на базовую станцию).

В процессе территориального планирования необходимо определить зону уверенного приема, которая в общем случае представляет собой окружность. Таким образом, задача проектирования сводится к определению радиуса такой окружности. Реально, радиус действия является "дышащим" и зависит, в частности, от текущей загрузки сети.

Следующим шагом является обеспечения телефонного трафика, который определяет необходимое количество речевых каналов. Для его обеспечения объем оборудования должен быть достаточным, чтобы обслуживать вызовы в период ЧНН

Особенностью реализации CDMA системы беспроводной связи для фиксированных абонентов является фиксация уровня излучения один раз при установлении абонентской станции. Таким образом, не нужно беспрерывного управления регулированием уровня мощности абонентских станций, исключаются процедуры мягкого переключения и пространственного разнесения.

Укажем, что для малонаселенных районов, основной проблемой при развертывании сети является снижения затрат. Для достижения этой цели можно воспользоваться следующими общими положениями :

- установление антенны ниже чем в центрах городов, для обеспечения такого же покрытия;

- возможность использования более дешевого оборудования;

- использование существующих башен и сооружений как опор для антенн, чтобы получить максимальный радиус покрытия территории;

- установление ретрансляторов и пассивных рефлекторов для расширения зоны покрытия.

Таким образом, прослеживается бесспорная целесообразность и эффективность применения CDMA технологии при телефонизации территорий с низкой плотностью населения. Ведь такой подход обеспечит развертывание сети за короткое время, будет удовлетворять нужды населения в обеспечении высококачественной связью, может быть быстро расширенным при росте количества абонентов благодаря отсутствию, так называемого, частотного планирования.

1.3.Схема построения сетей CDMA

К телефонной сети общего пользования (ТфОП или PSTN) подключается так называемый цифровой центр коммутации (ЦК, или Switch). В свою очередь, в него включены контроллеры базовых станций (BSC - Base Station Controller), которые управляют базовыми станциями и мультиплексируют абонентский трафик. В один контроллер может включаться несколько базовых станций. Базовая станция (BTS - Base Telecommunication Station) организовывает радиоинтерфейс между абонентом и сетью сотовой связи. Особенностью БС является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, она может иметь раздельные антенны на передачу и на прием. Другая особенность - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. На Центре Коммутации замыкаются потоки информации со всех базовых станций, с другой стороны, он должен обеспечивать выход абонентов на сети других операторов связи.

Рисунок 2-Схема построения сети CDMA

Такая организация сетей CDMA является общей, и она может быть изменена в соответствии с поставленными требованиями. Например, могут отсутствовать контроллеры базовых станций. В этом случае базовые станции будут подключаться непосредственно в ЦК, который в свою очередь соединен с ECP, в котором происходит обработка всей служебной информации.

2.РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Необходимо спроектировать абонентскую сеть на основе технологии CDMA для для малонаселенного района. Сеть должна предоставлять абонентам услуги телефонии и будет ориентирована преимущественно на квартирных абонентов.

2.1.Анализ территории, для которой проектируется сеть

В качестве реального объекта, для которого будет проектироваться сегмент телефонной сети общего пользования, основанный на стандарте CDMA выбран район Донецка – Пески, а также часть прилегающей территории. Такое решение принято на основании того, что в Песках, являющихся дачным районом, а также части прилегающей к ним территории остро стоит проблема телефонизации.

Выбранный для телефонизации подрайон по функциональному назначению можно охарактеризовать как жилой, так как его инфраструктура включает в свой состав предприятия бытового обслуживания, торговли, связи, организации правопорядка. Так как основным является жилой фонд, то этот факт и определяет характеристики трафика.

Площадь телефонизируемого района составляет 21,17 километра.

Для выбранного района следует определиться с количеством населения, в соответствии с которым будет рассчитано ожидаемое количество абонентов сети:так как устанавливаемые телефоны будут стационарными, то расчет производим из условия 1 телефон на 1 квартиру. Для этого вычисляем количество домов, подъездов в них, этажность застроек и количество квартир на этаже.

Для Песок и близ лежащих поселков число абонентов составляет порядка 1500, для микрорайонов- количество абонентов вычисляем исходя из того, что уже большая часть населения имеет телефоны и они необходимы лишь части нетелефонизированного населения. Таким образом, мы принимаем количество абонентов равное 5 процентов от населения микрорайона.

Например, район шахты Октябрьская:

Nаб= 140домов*3подъезда*5этажей*4кв/эт*0,05=420 абонентов. Исходя из этих расчетов, прогнозируемое количество абонентов к началу работы сети составляет 5300.

2.2.Анализ трафика

На протяжении всего жизненного цикла сети количество ее абонентов, объем трафика и его распределение по территории, которая обслуживается, изменяется. Кроме этого существуют сезонные изменения объема трафика. Для избранного мной района эти изменения обусловленные временем суток, ведь в обеденное время количество членов семьи и потенциальных абонентов резко снижается, а, например, вечером их количество возрастает. Кроме этого, летом происходит перераспределение объема трафика на данной территории следующим образом: сокращается в близ лежащих микрорайонах и увеличивается в Песках, ведь Пески являются дачным населенным пунктом, и большое количество людей, которые имеют там дома приезжают отдохнуть во время летних отпусков.

Общее количество абонентов следует разбить на соты, для чего необходимо определиться с активностью абонентов в течение суток.

Таблица 1 – Данные о количестве квартирных абонентов в разные периоды

Расчет ведем исходя из того, что средний состав семьи – 4 человека (2 взрослых, 1 ребенок и 1 пенсионер (или 2 ребенка)).

Данные в таблице объясняются следующим образом:

7.00-9.00- все члены семьи дома, но количество потенциальных абонентов 2 (2 работающих).

9.00-16.00- 1 человек в квартире и , соответственно 1 абонент (например, пенсионер).

16.00-18.00- 3 человек в квартире, 2 абонента (1 ребенок и 1 пенсионер).

18.00-22.00- 4 человека в квартир, 3 абонента (1 ребенок, 1 пенсионер, 1 работающий)

22.00-7.00- все члены семьи дома, 2 абонента (2 работающих).

Из описанных выше данных наглядно прослеживается неравномерность трафика в разные моменты времени суток.

Далее,предыдущая таблица детализируется: сутки разбиваются на 24 часа и для каждого из них уточняется количество абонентов и длительность звонка.Такой расчет производится для каждой соты. По этим данным строится график, по которому определяется ЧНН и необходимое число каналов.

В данном графике представлены данные относительно числа каналов для обеспечения внутрисотовых разговоров(для соты 1; 2000 абонентов).

Рисунок 3-График определения числа каналов

Таким образом, приведенная графическая ситуация демонстрирует вечерний всплеск, в связи с которым требуется наибольшее число каналов в период с 17.00-21.00. Но расчет следует вести для ЧНН, которым в данной ситуации является 19 часов. Максимальное требуемое количество каналов в данный период составляет 47 каналов.

Аналогичный расчет проводим для каждой соты в сети.

Полученные данные являются необходимыми для выдвижения рекомендаций относительно выбора оборудования базовых станций. Так как нет необходимости обеспечения надежной связи вдоль автотрасс как это делается в сетях подвижной связи, то цель- обеспечить телефонной связью населенные пункты с необходимыми критериями качества: надлежащим качеством передачи речи, минимальным процентом отказов.

В данной ситуации, я считаю целесообразным применение небольших базовых станций производства фирмы Motorola – SC 604 в каждой соте. Она способна работать в диапазонах 800 и 1900 МГц. Две связанные между собой станции SC 604 позволяют работать с двумя парами “прямой/обратный радиоканал”. Емкость SC 604 составляет, в зависимости от конфигурации, 48-108 каналов, что в данной ситуации является оптимальным.Из опыта установки БС операторами CDMA в сельской местности – радиус соты составляет от 7–8 до 25–30 км, в зависимости от рельефа местности и высоты расположения антенн.

Ввиду неравномерного расположения абонентов по территории, я рекомендую организовать три соты с радиусом 2-2,2 километра для того, чтобы осуществлялся уверенный прием. И хотя, в данном случае допустима организация сот с радиусом 7-8 километров это может привести к дополнительным проблемам – установке внешней антенны, так как уровень сигнала у абонента может быть слишком ослаблен ввиду, например, плотности застроек. Каждую БС рекомендую размещать так, чтобы место ее установки находилось в центре соты и месте максимального скопления абонентов, и чтобы обеспечивалась возможность подведения к ней питания.

Заключение и перспективы исследования

Построение сети CDMA позволит обеспечить услугами качественной связи отдаленные районы. Так как, даже в крупном городе, таком как Донецк, где достаточно серьезно развита кабельная инфраструктура, множество потенциальных пользователей расположены там, где сложно обеспечить их качественное подключение к сети по телефонной линии или волоконно-оптическому кабелю, так как прокладка кабеля для обычной стационарной телефонии для малонаселенных районов осложняется отсутствием телефонной канализации, ее недостаточно высоким качеством. Кроме того, можно также предположить, что к данной сети будут подключаться все новые пользователи не только данного района ввиду тех преимуществ, которые предоставляет данный стандарт.

В дальнейшем будет создана модель данной сети, будут оценены такие показатели сети, как реальная пропускная способность, вероятность отказа при обслуживании, отказоустойчивость сети в целом, оптимальное количество каналов для удовлетворительной работы, промоделировано поведение сети при различном проценте загруженности. Предполагается разработка путей повышения отказоустойчивости сети при повышении загруженности.

Список литературы

1. В.Г.Карташевский, С.Н.Семенов, Т.В.Фирстова «Сети подвижной связи» Москва, Эко-трендз, 2001.

2. М.М.Маковеева, Ю.С.Шинаков «Системы связи с подвижными объектами», Москва, 2002.

3 А.Голышко «История CDMA. Краткий курс », Москва, 2004 4. Ю.Кураев «Связь без проводов» № 6-7, 1996/ Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://connect.design.ru/n6_7_96/wireless.html