[08-2024] Расчет зоны покрытия при проектировании сети мобильной связи

[Admin]

Расчет зоны покрытия при проектировании сети мобильной связи

ЮРКИН Юрий Викторович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии», кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
МАСЛОВА Анна Андреевна,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, факультет «Автоматизация и интеллектуальные тохнологии», кафедра «Электрическая связь», аспирант, Санкт-Петербург, Россия
Ключевые слова: планирование сети связи, среда программирования, сеть мобильной связи, сшн дарт, потери, железнодорожный транспорт
Аннотация. В статье рассматривается методика расчета максимально допустимых потерь и зоны покрытия в сети наземной подвижной связи. Обосновывается ее применение при проектировании сетей мобильной связи с пакетной коммутацией на железнодорожном транспорте. Для выполнения вычислений на одном из этапов планирования сетей связи стандартов LTE APro-R и 5G-R предлагается использовать приложение, созданное в среде Visual Studio.

■ Международный союз железнодорожников (UTC) планирует в 2030 г. завершить эксплуатацию систем стандарта GSM-R и перейти на системы 4G - стандарт LTE-APro-R (Railway), а также 5G-R. Этот переход осуществится на основании разработанной концепции будущей системы железнодорожной мобильной связи -FRMCS (Future Railway Mobile Communication System).
Системы 4G (стандарт LTE-APro-R) уже успешно функционируют на некоторых высокоскоростных железнодорожных направлениях в разных странах, например в Дании, Китае, Южной Корее и др. В начале этого года в Германии запущен опытный участок Мекленбург - Передняя Померания длиной 10 км, оснащенный системой мобильной связи стандарта 5G-R (сетевое оборудование от компании Ericsson).
По экспертным оценкам предполагается, что к 2030 г. система 5G-R обеспечит пропускную способность до 5 Гбит/с на один поезд [1].
В процессе проектирования сети мобильной связи важным этапом является расчет макси мально допустимых потерь и зоны покрытия железнодорожных участков и станций. При этом осуществляется, в частности, процесс динамического распре деления ресурсов базовой сети в соответствии с алгоритмом планирования [2].
Актуальность создания авто матизированных методов расчета связана с тенденцией увеличения зон покрытия высокоскоростной мультисервисной мобильной связи на основе систем с пакетной ком мутацией как в сетях связи общего пользования, так и в железнодорожных. Рассмотрим методы оптимизации процессов расчета при проектировании таких сетей.
На железнодорожном транспорте РФ системы мобильной связи стандарта LTE-APro-R Moiyi раОопт. на направлениях высокоскоростного движения, обеспечивая функции поездной, станционной, маневровой, горочной, РОРС, ОТО и ОбТС, а гакжо видеоконференцсвязи [3, 4| Эти системы способны функционировать как в лицензируемых (450; 800; 1800; 1900; 2I00MI ц), гак инелицензируемых (2,4; 5 11 ц) диапазонах частот.
За счет использования свободного лицензируемого частотного диапазона 1785-1805 МГц с шириной полосы 1,4; 3; 5; 10 и 20 МГц может быть обеспечено на железнодорожном транспорте:

• интеллектуальное управление движением поезда;
• приоритетность сеансов связи в сети ОТО;
• передача данных с высокой скоростью;
• построение сети мобильной ОбТС;
• действие всех видов систем радиосвязи;
• информирование о позиционировании железнодорожных объектов;
• функционирование видеоконференцсвязи и видеонаблюдения HD (High Definition), а также интеллектуальной системы информирования пассажиров на станциях и в поездах.

С помощью нелицензируемо-го частотного диапазона 2,4 ГГц можно, кроме того, организовать сбор и анализ небольших (на основе 1оТ - Internet of Things) и значительных (Big Data) объемов данных. Причем на железнодорожном транспорте возможно одновременное использование и лицензируемого, и нелицензируе-мого диапазона частот.
Планирование сетей связи стандарта LTE-APro-R включает в себя: определение пространственных параметров сети, частотное планирование, оценку пропускной способности при заданной структуре трафика и др.
Ранее при планировании сетей 2G и 3G зона покрытия базовой станцией BTS (Base Transceiver Station) определялась исходя из абонентской нагрузки в час наибольшей нагрузки (ЧНН). В процессе планирования находился энергетический баланс, при котором достигалось одинаковое качество передачи информации по линии «вверх» (UL) и «вниз» (DL). Однако в сети LTE-APro-R абонентская нагрузка зависит от видов услуг и дисциплин обслуживания вызовов абонентов, которым они оказываются. Поэтому в процессе планирования зоны покрытия базовыми станциями eNB (evolved Node Base Station) целесообразно использовать не абонентскую нагрузку в ЧНН, а пиковые скорости передачи данных в каналах.

В свою очередь при организации систем 5G впервые появилась возможность применения любого спектра частот в диапазоне от 600 МГц до 90 ГГц. Эти системы также могут быть развернуты в лицензируемых и нелицензируемых диапазонах частотного спектра и позволяют использовать как метод организации дуплексной связи FDD (Frequency Division Duplex) для парного спектра частот при передаче по линиям DL (от базовой станции 5G - gNB) и UL, так и метод TDD (Time Division Duplex) для непарного спектра.
Очевидно, что FDD имеет преимущество с точки зрения задержки по сравнению с TDD, поскольку он поддерживает одновременно передачу и прием данных. В качестве примера в таблице представлены некоторые типы рабочих диапазонов частот, рекомендованных Партнерским консорциумом по подготовке спецификаций по мобильным сетям с пакетной коммутацией (3GPP - Third Generation Partnership Project) для работы систем 5G.

Оценка оптимального покрытия сети ячейками систем мобильной связи производится по моделям Окамура-Хата и COST 231-Hata. Методики, основанные на эмпирических графиках (модели Дж. Ока-муры и Рекомендации 1546 МСЭ), достаточно неудобны для практического применения, особенно при автоматизации расчетов [5]. Поэтому М. Хата получил аналитическую модель предсказания потерь распространения сигналов, как результат аппроксимации кривых Дж. Окамуры.
Модель расчета медианных потерь на трассах наземной подвижной связи Окамура-Хата описана в Рекомендациях МСЭ-Р и положена в основу стандартной модели COST 321-Hata, рекомендуемой Европейским институтом стандартов в телекоммуникациях (ETSI) при проектировании мобильных сетей. Эта модель позволяет рассчитать значения медианных потерь на трассах наземной подвижной связи стандартов LTE-APro-R и 5G-R при следующих ограничениях: частота сигнала составляет 100-3500 МГц; дальность связи 1-300 км; высота подъема антенны базовой станции Н1 (eNB, gNB) 30-200 м, мобильной станции Н2 (UE) 1-10 м. Это позволяет применять данный метод при планировании сетей подвижной связи.
Предположим, что мобильный терминал UE (User Equipment) находится на краю соты и уровень мощности сигнала, излучаемого его передатчиком, составляет W1 (рис. 1). Минимально допустимый уровень мощности сигнала на входе приемника eNB (gNB) равен W2. Чтобы сигнал от UE был принят eNB (gNB), потери мощности в тракте передачи не должны превышать величину максимально допустимых потерь (МДП). Эта величина рассчитывается по методу Окамура-Хата.
В первую очередь устанавливаются вспомогательные данные, которые позволяют уточнить структуру сети. К ним относятся:

• запас на внутрисистемные помехи, учитывающий влияние помех от соседних сот на eNB (gNB) и UE, вычисляемый с учетом относительной загрузки соты;
• эффективная изотропно-из-лучаемая мощность передатчика (мощность излучения антенны с учетом потерь в антенно-фидерном тракте);
• шумовая полоса приемника, представляющая собой произведение количества ресурсных блоков на ширину полосы одного ресурсного блока;
• мощность теплового шума приемника, которая связывает предыдущий параметр, постоянную Больцмана и абсолютную температуру;
• чувствительность приемника.

В итоге вычисляются значения максимально допустимых потерь для линий UL и DL. Из двух параметров выбирается значение МДП для линии UL, так как мощность излучения антенны eNB (gNB) выше, чем UE.

Последовательность этапов расчета максимально допустимых потерь на основе модели Окамуры-Хата показана на рис. 2. Чтобы ускорить процесс вычислений, было разработано приложение WPF (Windows Presentation Foundation). Программирование производилось на языке C# в среде Visual Studio.
Выбор языка программирования и среды разработки связан с наличием в одном месте редактора исходного кода, компилятора и мастеров кодификаций, что дает возможность эффективно создавать различные приложения [6].
Для расчета радиуса соты также было создано приложение WPF. Последовательность в нем представлена на рис. 3. В расчете учитываются следующие исходные данные: максимально допустимые потери, рассчитанные ранее; высота антенн eNB (gNB) и UE; рабочая частота; длина проектируемого железнодорожного участка.
На выходе вычисляется поправочный коэффициент высоты антенны мобильной станции (UE), учитывающий рабочую частоту передатчика eNB (gNB) и высоту антенны UE, радиус соты, площадь покрытия соты и количество базовых станций, рассчитываемое исходя из длины железнодорожного участка и радиуса соты.
Снимок экрана окна программы расчета радиуса соты представлен на рис. 4.

С учетом перспектив применения 5G-R на железнодорожном транспорте возможно построение гетерогенной сети мобильной связи [4], концепция построения которой представлена на рис. 5.
Сеть состоит из макросот, развернутых на железнодорожном участке с функционирующей системой стандарта LTE-APro-R, и микросот, расположенных в зданиях вокзалов на железнодорожных станциях, где реализована система стандарта 5G-R.

При планировании сети связи гетерогенной структуры необходимо использовать модель расчета, приемлемую для применяемого диапазона рабочих частот. Метод Окамуры-Хата в этом случае поможет рассчитать соответствующие параметры как для железнодорожных участков, так и для станций.

В заключение статьи отметим, что разработка автоматизированных методов расчета параметров, необходимых при проектировании сетей мобильной связи стандартов LTE-APro-R и 5G-R на железнодорожном транспорте является актуальной задачей. В частности, оценка оптимального покрытия в этих сетях может производиться при применении моделей Окамуры-Хата и COST 231-Hata. На основании этих моделей разработаны программы расчета максимально допустимых потерь мощности радиосигнала при его передаче по радиотракту на железнодорожном участке и радиуса макросоты системы LTE-APro-R. Эти же алгоритмы могут быть использованы для расчетов при проектировании сети стандарта 5G-R на станциях. Причем этот метод пригоден для расчета сети связи как для существующих, так и новых участков железной дороги.

СПИСОК источников

1. https://zdmira.com/news/db-pustili-opytnyi-uchastok-dlya-testirovaniya-radiosvyazi-standarta-5G.
2. Бобков В.Ю. Подходы к планированию и оптимизации сетей LTE : презентация / СПб ГУТ. СПб., 2012. 66 слайдов. URL: http://new.rpls.ru/ wp-content/uploads/2017/04/2012_SPB_ GUT_Babkov_LTE.pdf
3. Юркин Ю.В., Герасимов Е.М. Вопросы организации сети мобильной связи с пакетной коммутацией на высокоскоростных направлениях железных дорог// Инновационная железная дорога. Новейшие и перспективные системы обеспечения движения поездов. Проблемы и решения : сборник статей V-ой Межд. научно-практ. конференции. СПб.; Петергоф, 2023. С. 442-450.
4. Юркин Ю.В., Маслова А.А., Герасимов Е.М. Организация гетеро-генной сети мобильной связи // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 10. С 15-19. DOI: 10.34649/ АТ.2022.10.10.003
5. Владимиров С.С. Беспроводные системы передачи данных. Расчет потерь на трассе радиоканала : практикум / СПб ГУТ. СПб., 2020. 32 с.
6. Microsoft Learn. Spark possibility : сайт. URL: https://learn. microsoft. com/ (дата обращения: 10.01.2024г)