Автореферат магистерской работы

"Разработка сегмента GSM сети для национального оператора связи Tunisie Telecom"

Tемпы развития сотовой связи у нас в стране настолько высоки, что всего за несколько лет этот сервис превратился из "привилегии избранных" в насущную необходимость для людей со средними доходами. Вместо символа достатка сотовая связь становится тем, чем она и должна быть - средством связи, конкурируя уже в отдельных областях с проводными сетями.

Целью данной магистерской работы является pазработка сегмента GSM сети для национального оператора связи Tunisie Telecom.

Задачи разработки:

- разработка модели GSM 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.

1.ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

1.1.Обзор протоколов мультидоступа

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным доступом (multiple access ) к базовой станции. Для обеспечения множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи. В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова), освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров.

Под словом "ресурс" в первую очередь следует понимать диапазон частот, выделенный для использования в сотовой сети. Разные стандарты организации множественного доступа по-разному "упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественного доступа, основанные на разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access). Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS (Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов "умещается" в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для "разнесения" по частотам соседних ячеек сети (рис. 1). Благодаря этому можно повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Рисунок 1. Схема распределения частотных поддиапазонов по ячейкам сотовой сети FDMA (а), TDMA (б), CDMA (в).

Большей емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных методов множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа), после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином "временной слот" понимается следующее. Базовая станция, работая на данной частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом, какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало чем отличается от применяемого при мультиплексировании с разделением по времени. Речь обычно передается в оцифрованном виде с компрессией. В качестве примеров TDMA можно привести следующие стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц).

метод CDMA (Code Division Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод возник недавно именно в телефонии, - в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый" или "размытый" спектр). Полезная информация как бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто называют узкополосным).

1.2.Схема построения сетей GSM

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой (рис.2), на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

Рисунок 2.Функциональное построение и интерфейсы стандарта GSM .

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МСЭ-Т (ранее МККТТ) SS N 7 (CCITT SS. N 7)).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции ISDN, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта. MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR. К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR. В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.

EIR - регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IМЕI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров IМЕI, организованных следующим образом: БЕЛЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. ЧЕРНЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине. СЕРЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в "черный список". К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

ОМС - центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC - центр управления сетью, позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC обеспечивает управление графиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощь ОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

BSS - оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемо-передающими блоками. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

2.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ

2.1. Принципы построения GSM

Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.

При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Чтобы оптимально разделить территорию на микро-зоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь.

Радиостанции ПО, находящиеся в микро-зонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанцией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО.

Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПО в микро-зоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и те же рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки. Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми.

Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы. При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне.

Более оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦРС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и смежные центральные станции в момент пиковой нагрузки и т.д. Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ. В сотовых системах необходимо определить, какую ЦРС подключить для связи с абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПО. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией ПО, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы.

2.2 Необходимые исходные данные

Приведенные ниже принципы проектирования основываются на опыте проектирования сотовых сетей связи во многих странах мира и, прежде всего, на опыте фирмы NOKIA.

Целью проектирования сети является: обеспечение охвата требуемой зоны обслуживания с высоким качеством речевой связи; обеспечение емкости для обслуживания абонентской нагрузки с низкой интенсивностью потерь. Путем эффективного проектирования сети (например, путем разделения зоны действия базовой станции на секторные сотовые ячейки), а также использования имеющихся сооружений (зданий, мачт, линий передач и т.д.), можно достичь минимальной стоимости инфраструктуры сотовой сети. При проектировании сотовых сетей каждый проект выполняется с учетом желаний и возможностей заказчика.

Для составления окончательного проекта сети требуется четкая информация о следующих основных параметрах: количество имеющихся свободных каналов (в зависимости от ширины полосы и разноса между каналами); планируемые зоны обслуживания (города и магистральные дороги); топография и типы местностей в зонах обслуживания (карты); существующие сооружения и т.п. (список предлагаемых пунктов расположения базовых станций); оценка распределения и прироста абонентов и нагрузки; прочие параметры проектирования (нагрузка на абонента, допустимая интенсивность потерь, минимальная приемлемая напряженность поля и т.д.)

Так как все вышеупомянутые параметры фактически нам не известны, мы производим здесь только предварительный расчет максимальной емкости. Он содержит оценку требуемых материалов (базовых станций и каналов). Перед проектированием сети стоят две разные цели, зависимые от обслуживаемой местности. В сельских местностях главная задача - это произвести большие зоны охвата с высокой мощностью передачи и высокими антеннами (обычно с помощью ненаправленной антенны). В городах, где нагрузка интенсивная, главная задача - это обеспечение максимальной емкости и компактных размеров ячеек с небольшой мощностью и низкими антеннами (часто с помощью направленной антенны и секторных ячеек).

Проблема проектирования сетей городских районов состоит в том, что применяются одни и те же частоты с минимальной внутриканальной помехой. В городских районах целесообразно использовать "зонтичные" базовые станции, т.к. они охватывают и такие районы, которые недостаточно хорошо охвачены малыми ячейками.

Список литературы

1.Кунегин С.В. "Структурная схема и состав оборудования сетей связи"/ Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://www.kunegin.narod.ru

2.Системы подвижной радиосвязи. Пышкин И. М., Дежурный И. И., Талызин В. Н., Чвилев Г. Д.; под ред. Пышкина И. М. М.: Радио и связь, 1986.

3.Опыт эксплуатации и перспективы развития сотовых систем подвижной связи. Алешин А. А., д.т.н. Варакин Л. Е. "Зарубежная электроника", N 12. 1986.

4.Сотовые системы связи / Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://ofap.ulstu.ru/res/puevm/Page15_5.txt