Методы расчета числа каналов и размера ячеек транкинговых систем на примере стандарта TETRA и APCO-25

 

   Для каждой категории абонентов должны быть приведены:

• профиль услуг;
• количество абонентов;
• среднее время занятия канала связи одним абонентом в ЧНН.

Особое  внимание следует обратить на оценку среднего времени занятия канала связи одним абонентом в ЧНН.  Усреднение должно производиться по всем абонентам j-ой категории.  Если,  например, установлено,  что в ЧНН активная часть абонентов составляет 10%  от общего их количества со средним временем занятия канала связи одним активным абонентом t^j мин.,  то среднее время занятия канала связи одним абонентом данной категории составит 0,1t^j. 
 

2. Определяется  удельная абонентская нагрузка в  каждой i-ой категории путём перевода среднего времени занятия канала связи в ЧНН одним абонентом в часо-занятия в час,  выраженные в Эрлангах, по формуле:

 

   λ^j = 0,0167 t^j, Эрл     (4) 

3. Нагрузка  на сеть в i-ом сайте, создаваемая абонентами j-ой категории, находится путём умножения полученной удельной абонентской нагрузки λ^j на количество абонентов j-ой категории в i-ом сайте , т.е. как:

 

                     (5) 

Суммарная нагрузка на сеть в i-ом сайте, создаваемая всеми абонентами, будет равна сумме нагрузок в этом сайте, создаваемых абонентами всех категорий:

                                 (6) 

4. Количество  каналов трафика на базовой станции  i-ого сайта, необходимое для обслуживания нагрузки Λ_i, найдётся по формуле Эрланга для случая с явными потерями вызовов:

 

                                 (7) 

где P_бл – вероятность блокировки вызовов, т.е. вероятность непредоставления вызова ввиду перегрузки системы, которая, в зависимости от назначения системы TETRA, выбирается в пределах от 1% до 3%.  

В качестве альтернативного решения может  быть использована соответствующая таблица Эрланга, составленная по В-формуле. Здесь следует заметить, что если абоненты сети получают доступ в режиме с формированием очереди, то, строго говоря,  в этом случае следует использовать другую формулу Эрланга. Вместе с тем, в целях упрощения излагаемой методики во всех случаях допустимо использовать приведенную выше формулу с явными потерями вызовов  (т.е.  без постановки абонента, сделавшего вызов,  в очередь),  поскольку получаемый с её помощью результат применительно к режиму с формированием очереди оказывается в пользу заявителя.  

5. Количество  несущих частот на базовой станции  i-ого сайта найдётся из выражения:

   m_i = integer ﴾0,25n_i﴿ + m_доп     (8) 

   Первое  слагаемое правой части этого  выражения находится как частное от деления числа каналов трафика на четыре  (на одной несущей частоте имеется четыре уплотнённых во времени канала) с округлением в большую сторону до целого числа.

   Второе  слагаемое m_доп характеризует величину дополнительной пропускной способности сети,  которую следует предусмотреть для управления сетью,  для организации резервных каналов с целью повышения надёжности связи и других целей. Необходимость и величина дополнительной пропускной способности должна быть обоснована в пояснительной записке,  сопровождающей заявку оператора на выделение частотного ресурса.  

6. При необходимости  использования прямой связи между  определённой группой абонентов  (режим DMO)  следует указать и обосновать требуемое количество каналов связи либо полосу частот ΔF_DMO.

 

7. Необходимая полоса частот с учётом дуплексного  разноса в 10МГц, которую следует  выделить оператору по его заявке,  составит величину:

 

   2ΔF = 2x25Σ m_i + ΔF_DMO, кГц,    (9) 

где суммирование производится по всем базовым  станциям частотного кластера с максимальной пропускной способностью.  

   Соответствующая блок-схема алгоритма расчёта  необходимой полосы частот приведена на рисунке 3. 
 

     

   Рисунок 3 – Алгоритм расчета необходимой полосы частот

2. ОЦЕНКА РАЗМЕРА ЗОН ОБСЛУЖИВАНИЯ

 
 

Среди различных стандартов цифровой транкинговой радиосвязи наиболее перспективными для  внедрения в России большинство  специалистов считает открытые системы:

• общеевропейский стандарт TETRA, в котором применено временное разделение каналов связи (TDMA);
• американский стандарт APCO 25, использующий частотное разделение каналов (FDMA).

 

При сравнении  основных параметров систем связи на основе данных стандартов в ряде источников приводятся сведения о том, что системы  стандарта APCO 25 обеспечивают дальность  связи в 2 раза, а зону покрытия базовой  станции в 4 раза большую по сравнению  с TETRA. На основании этого делается вывод о существенно большей  экономической эффективности систем с FDMA, требующих установки значительно  меньшего количества базовых станций  на определенной ограниченной территории.  

Важность  проблемы выбора цифрового стандарта  заставляет более подробно рассмотреть  данную проблему.  

Действительно, при прочих равных параметрах системы  с FDMA обеспечивают большую дальность  связи по сравнению с системами  с TDMA. Это объясняется меньшей  энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала Ec определяется как: 

       (10) 

где Pc –  мощность сигнала;

      Tc - длительность сигнала.  

Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного  бита для цифровой системы) пропорционально  уменьшается энергия. Поэтому если представить себе некий идеализированный вариант, при котором две системы  отличаются только числом информационных каналов на одной физической частоте (в одной системе их 4, как в TETRA, а в другой - 1, как в APCO 25), то эквивалентная мощность на один бит  информации будет отличаться в этих системах в 4 раза. Это приведет к  различиям по дальности связи  ориентировочно на 30-40 % (очевидно, не в 2 раза).  

Вместе  с тем, дальность связи зависит  от параметров сигнала, способов его  формирования и обработки, определяемых стандартом (метода модуляции, алгоритма речевого кодирования, способов помехоустойчивого кодирования и др.). Эффективность устанавливаемых стандартом методов интегрально отражается в характеристиках чувствительности приемного тракта радиостанций.  

Следует отметить, что использование цифрового  сигнала для передачи речевых  сообщений требует иного подхода  к определению чувствительности цифровых радиостанций, нежели аналоговых. Как правило, качество канала связи  в цифровых системах характеризуют  вероятностью ошибки приема на один бит, то есть отношением количества неправильно  принятых бит информации к количеству переданных бит. В отличие от аналогового  канала связи, в котором качество речи снижается (приблизительно) пропорционально  отношению сигнал/шум, в цифровом канале наблюдается пороговый эффект. Здесь качество речи на значительном интервале отношений сигнал/шум  остается практически постоянным, но при достижении порогового значения резко ухудшается.  

Испытания рекомендуемого в стандарте TETRA речепреобразующего устройства в канале с ошибками показали, что приемлемое качество воспроизведения  речи сохраняется до значений предельной вероятности ошибки на бит - 4%. Относительно этого значения при различных  условиях распространения сигнала  задана чувствительность базовой и  мобильной радиостанции для речевого канала (см. таблицу 2).  

Таблица 2 – Чувствительность радиостанции для речевого канала при различных условиях распространения сигнала 

 

В стандарте APCO 25 подход к определению чувствительности приемника, в основном, аналогичен подходу, принятому в TETRA. Следует только отметить, что предельная вероятность ошибок на бит принята равной 5%.  

Чувствительность  приемника указывается для двух классов аппаратуры: класс A определяет требования к аппаратуре специального назначения (полиция, спецслужбы и т. д.), класс В - к аппаратуре для  коммерческого использования, при  этом не производится деление на вид  аппаратуры (базовую, портативную, мобильную). Требуемые значения чувствительности приемника для статических и  динамических условий распространения  сигнала для всех типов радиосредств указаны в таблице 3 . 

Таблица 3 - Чувствительность радиостанции в зависимости от класса аппаратуры 

 

   Можно отметить, что в стандарте TETRA чувствительность мобильных радиостанций может быть на 3 дБм хуже, чем у базовых  станций. Запас при динамических условиях распространения сигнала  в стандарте APCO 25 соответствует 8 дБм, в стандарте TETRA - 9 дБм.  

   Немаловажным  фактором при оценке дальности связи  является мощность передатчика.  

   В стандарте TETRA предусмотрено 10 классов  базовых станций, 4 - мобильных и 2 - носимых, различающихся выходной мощностью передатчика.  

   В стандарте APCO 25 не определены конкретные значения мощности передатчика, указано  лишь, что мощность мобильной и  носимой станций не должна превышать 10 Вт. Между тем, основываясь на общеизвестных  принципах подхода к выбору мощности передатчиков транкинговых сетей связи  с учетом биологической безопасности, автономности электропитания и ограниченности массогабаритных характеристик  радиостанций, можно принять для  дальнейшей оценки мощность базовой  станции 25 Вт, мобильной - 10 Вт, носимой - 3Вт.  

   Для того чтобы оценить возможные  зоны обслуживания для базовых станций  различных стандартов и провести их сравнение, необходимо воспользоваться  унифицированной методикой расчета  обеспеченности связью и использовать при расчете одинаковые значения тех параметров, которые не зависят  от технических характеристик стандартов радиосвязи.  

   Известно  большое количество методик расчета  обеспеченности радиосвязью абонентов  в транкинговых сетях. Данные методики основаны на результатах теоретических  и практических исследований распространения  радиоволн в реальных условиях. Процесс  оценки зоны обслуживания состоит из нескольких этапов.  

   На  первом этапе определяют мощность сигнала, излучаемую в эфир. На втором - среднюю  мощность сигнала на приемной антенне, при которой обеспечивается заданная чувствительность приемника. По результатам  этих этапов определяют допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала. На третьем этапе выбирают модель расчета потерь на трассе и на ее основе строят зависимость потерь от расстояния. По данному графику определяют среднюю дальность радиосвязи с учетом запаса на обеспеченность связью по месту и времени.  

   Рассмотрим  эту процедуру более детально.  

   Излучаемая  мощность сигнала: 

         (11) 

   где P_S - мощность передатчика;

         G_А - коэффициент усиления антенны;

         B_С - коэффициент передачи фидера и других цепей между передатчиком и антенной.  

   Необходимая мощность сигнала на приемной антенне: 

          (12)