Разработка беспроводной сети связи 5G в городе Мышкин с цифровизацией общественного транспорта

Принцип определения МДП приведен на Рисунке 3.1.[10]Рисунок 3.1. Принцип определения МДПВ рамках расчета будут использоваться следующие параметры и характеристики:Величина системной полосы: от 20 МГц при FDD = 10/10(DL/UL);ПО eNB: на всехсекторахнаходится по одному TRX, величина выходноймощности TRX принимается номинальной и равной 40 Вт (46 дБм);В качестве абонентского терминала UEбудет использоваться либо USB-модем четвертого класса, чья эффективно излучаемая изотропная мощность равняется 33дБм;Величина соотношенияразмера кадров DL/UL: 100%/100%.На данном этапе проектирования необходимо рассчитать потери, данные потери являются максимально допустимыми для качества связи. Подобный расчет можно сделать при помощи следующей формулы (3.1):LМДП Pэиим.прдSч.прGA.ппLф.прМпроннМпомМзапасGxo(3.1)где:Pэиим.прд–эквивалентнаяизлучаемаямощностьпередающего устройства;Sч.пр – чувствительность приемного устройства;GА.прд - коэффициент усиления антенны передающего устройства, GА.прдDL = 18 дБма, UL = 0 дБма;LФ.прд – количество потерь в фидерном тракте передающего устройства, LФ.прд DL = 0,3 дБ («отраженная» волна);Мпрон – величина запаса для проникновения сигнала в помещенияв условиях городской средней застройки, Мпрон = 17 дБ;Mпом – величина резерва для покрытия помеховых явлений. Данное значениепринято потому, что итоги моделирования на системном уровне от нагрузки в соседних сотах именно такие. Величина значенияМпомбудет соответствовать нагрузке в соседних сотах 70%.Mпом:DL = 6,4 дБ, UL = 2,8 дБ;Mзапас–величина запаса на «затенение» сигнала, принимается равной 8,7 дБ.Gхо– величина выигрышаот такого явления, как «хэндовер». Параметр выигрыша от явления «хэндовер»является результатомтого, что в случае появления глубоких «замираний» в соте, которая обслуживается сейчас,появляется способность абонентского терминалак реализации«хэндовера» в ту самую соту, в которой отмечены наилучшие характеристики приема. Gхо= 1,7дБ.Pэиим.прдможно рассчитать при помощи зависимости (3.2):Pэиим.прдPвых.прдGА.прдLф.пр(3.2)где Рвых.прд–величина выходноймощностипередающего устройства. Рвых.прд в линии«вниз»(DL) в LTE имеет зависимость от того, насколько широкой используется полоса частот. Данная полоса частот может иметь определенную дельту, данная дельта сама по себе являетсяколеблющейся в пределахот 1,1 до 24 МГц. Если говорить о частотном диапазоне сети 5Gи рассматривать участок 5 МГц, выбор передатчиков TRX можно назвать рациональным, если говорить о частотном диапазоне свыше 5 МГц – 40 Вт (46дБм).Рвых.прд: DL= 46дБм, UL = 33 дБм. Для линии DL:Pэиим.прд = 46 + 18 - 0,3 = 63,7 (дБм), Для линии UL:Рэиим.прд = 33 (дБм).Sч.пр рассчитывается по формуле:Sч.прPтш.прM осш.прLпр(3.3)где Ртш.пр - мощность теплового шума приемника, Ртш.пр: DL = -174,4 дБм, UL = -104,4 дБм;Мосш.пр–величина требуемого отношения«сигнал/шум»приемного устройства. Величина значенияМосш.пр получена на основе анализапроцесса моделирования канала «EnhancedPedestrianA5». Мосш.пр:DL = -0,24 дБ; UL = 0,61 дБ;Lпр–величина коэффициента шума приемника, Lпр: DL = 7 дБ, UL = 2,5 дБ; Для линии DL:Sч.пр = -174,4 + (-0,24) + 7 = -167,64 (дБм),Для линии UL:Sч.пр = -104,4 + 0,61 + 2,5 = -101,29 (дБм).Если брать зависимость (3.1), максимально допустимые потери в направлении DL будут следующими:Для линии DL:LМДП = 63,7 – (-167,64) – 17 – 6,4 – 8,7 – 1,7 = 197,54 (дБ),Для линии UL:LМДП = 33 – (-101,29) + 18 – 0,4 – 17 – 2,8 – 8,7 + 1,7 = 125,09 (дБ).В результате, при проведении подсчета UL и DL а также значения МДП, необходимо выбратьто, которое было бы наименьшим.Согласно данному значению производятся все дальнейшие расчеты, при помощи которых можно с достаточной точностью определитьрадиус действия базовой станции. В качестве ограничивающей линии по такому параметру, как «дальность связи» необходимо брать линиюверхнего уровня(UL). [14]Для того, чтобы рассчитать потери на трассе необходимо было взять модель Окумура– Хата, которая чувствительна которая зависит к следующим параметрам: расстояние R, рабочая частота F, высота подвеса антенн базовой и абонентской станций. Метод, который представлен, имеет базированиена аналитикерезультатов различных измерений, проведенных на практике. Данный метод дает возможность вычислить для различных типов местности[15].Необходимо привести условия, в результате которых будет осуществима применимость модели:- величина диапазона частот от 3400 до 3800 МГц;Все расчеты необходимо производить для параметров, указанных ниже:Величина частоты сигнала ‒ 4900МГц;Величина высоты абонентской станции ‒ 2м;Величина высоты базовой станции ‒ 30м.Если знать значение потерь, которые являются максимально допустимыми на трассе прохождения сигнала,то можно провести расчеты расстояния R.Величина потерь на трассе может быть рассчитана при помощи следующей формулы (3.4):L69,5526,16lgF13,82lgHБСaHAC(44,96,55lgHБС)lgR(3.4)где НБС– эффективная высота, на которую осуществляется подъем антенны базовой станции, м;НАС– высота антенны подвижной станции над землей, м; R – расстояние между передатчиком и приемником, км; F – частота сигнала,МГц.aHАС– величина поправочного коэффициента.При помощиформулыпоявляется необходимость определениядлягородскойместностипоправочного коэффициентаaHАС:аНАС (1,1*lgfc0,7)*hr(1,56*lgfc0,8)(3.5)аНАС  (1,1*lg4900 0,7)* 2  (1,56*lg4900 0,8) 1,267Те значения, которые были получены, можно подставитьв зависимость (3.4), что даст возможность вычисления расстояниямеждупередающим и приемным устройствами, это же позволит определить величинуR – радиуса действия базовойстанции: = 0,036 (3.6)В результате радиус действия базовой станции (R) равен 1,44 км.Для того, чтобы оценить пропускную способность и емкость сети, необходимо вначалепроизвести подсчет среднего значения спектральной эффективности соты в конкретныхобстоятельствах.Спектральной эффективностью называется отношение скорости передачи данных в определенной соте к одному Гц полосы частот (бит/с/Гц), кроме того можно посчитать, какимобразом относится максимальная пропускная способность сети к ширине полосы одного из частотных каналов. В качестве спектральной эффективности может быть определена скорость передачи информации в установленной полосе частот. Ширина частотного диапазона3400– 3800 МГц. В процессе применения системы FDD, были произведены подсчеты о том, что величина средней пропускной способности на одинсектор передающего и премного устройствeNBрассчитываетсяпри помощи умножения ширины канала на величину его спектральнойэффективности:R S*W(3.7)где S– средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц);W– ширина канала (МГц); W= 10 МГц. Для линии DL:RDL= 3,43 · 10 = 34,3Мбит/с.Для линии UL:RUL= 1,829 · 10 = 18,29 Мбит/с.Расчет пропускной способности сети.Спектральная эффективность для сети 5G, при ширине полосы частот равной 20 МГц, при использовании частотного типа дуплекса FDD на основании 3GPP Release 9, представлена в Таблице 3.1.Таблица 3.1– Средняя спектральная эффективность для сети 5GЛинияСхемаиспользования частотного спектраСредняя спектральная эффективность(бит/с/Гц)UL1×21,2541×41,8292×22,93DL4×23,434×44,48При применении системы FDD, было подчитано, что средняя пропускная способность на одни сектор eNB можно рассчитать путём умножения ширины канала на спектральную эффективностьканала:R S*W(3.8)где S – средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц);W – ширина канала (МГц); W = 10 МГц. Для линии DL:RDL= 3,43 · 10 = 34,3Мбит/с.Для линии UL:RUL= 1,829 · 10 = 18,29 Мбит/с.Средняя пропускная способность базовой станции ReNBрассчитывается при помощи умножения пропускной способности одного сектора на количество секторов БС; число секторов eNBпринимается равным 5,тогда:ReNBRDL /UL*3(3.9)Для линии DL:ReNB.DL= 34,3· 5 = 171,5 Мбит/с.Для линии UL:ReNB.UL= 18,29 · 5 = 91,45 Мбит/с.Среднюю планируемую пропускную способность RN проектируемой сети определим путем умножения количества eNB на среднюю пропускнуюспособность eNB. Формула примет вид:RN  (ReNB.DLReNB.UL)*NeNB(3.10)Пропускная способность для 8 базовых станций (именно столько необходимо для обеспечения радиопокрытия района):RN8 =( 171,5+ 91,45) *8 ≈2105(Мбит/с)(3.11)Частотно-территориальное деление района проектированияПри проектировании сетей подвижной радиосвязи одним из основополагающих этапов является проект частотно-территориального планирования, в рамках которого будет происходить определение состава сети, размещение базовых станций, а также производиться подстройка плана сети с учетом существующих территориальных ограничений. В начале, необходимо привести на местности проектирование ситуационного плана размещения базовых станций сети 5G(eNB). Данный строительный план приведен на Рисунке 3.3.Так, базовые станции соединяются между собой радиорелейными станциями типа WiMAX, соединение с контроллером сети радиодоступа и далее, с оборудованием оконечно-транзитного узла связи происходит при помощи волоконно-оптической линии связи. Проектирование волоконно-оптической линии связи в рамках данной работы не представляется возможным, так как проектирование подобных телекоммуникационных устройств на территории России требует колоссального количества согласований. Волоконно-оптические линии связи на территории России существуют и сдаются в аренду, поэтому в рамках данного проектирования будет осуществлено заключение договора аренды между ПАО «Ростелеком» с целью обеспечения транспортной средой базовых станций. В длину район составляет 6,46 км. В ширину – 2,6 км. Базовые станции располагаются не только на территории района, но и за его пределами, так как данный район имеет геометрически неудобную форму и поэтому для обеспечения радиопокрытия необходимо строительство в смежных районах. На данном этапе необходимо пояснить, как именно радиочастоты проходят через различные материалы (стекло, бетон), а также кратко описать прохождение радиосигнала в зданиях. Для этого можно привести диаграмму зависимости, она представлена на Рисунке 3.2. На диаграмме видно, что связь с оконечным терминалом обеспечивает активный луч с номером 6, при этом станция готова переключиться на связь с терминалом по лучу 1 в случае, если параметры луча 6 ухудшатся, например, из-за его перекрытия каким-либо препятствием и возникновения помехи, связанной с прохождением строительных конструкций здания. Базовая станция все время сравнивает качество связи по активному лучу и по другим лучам, выбирая лучшего кандидата из возможных.[11]Рисунок 3.2. Прохождение сигнала через препятствия.На данном этапе проектирования необходимо пояснить прохождение сигнала через такие строительные конструкции, как стекло и бетон, так как будет использоваться данная технология и.На сегодняшний день произвести расчеты, которые точно ответили бы на вопрос прохождения радиосигнала стандарта 5Gчерез стекло и бетон не представляется возможным. Однако, проведенные исследования Латвийскими учеными после установки первой ретрансляционной системы, поддерживающей стандарт 5G, говорят о том, что происходит затухание сигнала при прохождении строительных конструкций. Так, на открытом пространстве эффективное расстояние (та величина, на которую произойдет уменьшение радиуса действия сигнала после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством) равняется 100 процентам. По данным исследований при прохождении стекол без тонировки (в которых отсутствуют металлизированные элементы) эффективное расстояние распространения радиоволны снижается до 70-75 процентов, а потери по уровню могут доходить до 3 dB. При прохождении стекол с тонировкой (стекол, содержащих металлизированные покрытия), эффективное расстояние распространения радиоволны снижается до 60-70 процентов, а потери могут достигать 5-8 dB. При прохождении таких строительных конструкций, как бетонный пол или потолок, эффективное расстояние распространения радиоволны может быть снижено до 40-50 процентов, а потери по уровню могут доходить до 15-25 dB. В процессе прохождения радиосигналом таких конструкций, как железобетонные перекрытия, эффективное расстояние распространения радиоволны может быть снижено до 60-75 процентов, а потери по уровню могут доходить до 25-40 dB.[16]Данные исследования говорят о том, что при прохождении строительных конструкций могут потребоваться ретрансляционные системы при использовании сигналов стандарта 5G.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ рамках выполнения работы было проведено построение сети сотовой связи на базе технологии 5Gв районегорода Мышкин Ярославской области. В процессе написания работы были сделаны следующие объемы работ:- предпроектное обследование и постановка задачи на проектирование;- приведение кратких сведений о поколениях сотовой связи;- обоснование выбора технологии 5G при проектировании сети;- проведение анализа нормативной базы Российской Федерации;- разработка структурной схемы сети сотовой связи 5G;- разработка проекта оконечно-транзитного узла связи 5G;- разработка схемы пропуска трафика по сети;- разработка перечня требований к объектам проектируемой сети 5G в соответствии со стандартами;- разработка требований к надежности сети связи и показателям качества обслуживания;- выбор оборудования сети и его обоснование;- расчет параметров трафика;- расчет эффективности использования радиоспектра;- расчет зон радиопокрытия;- формирование выводов по итогам проектирования, анализ результатов.При проектировании были рассмотрены не только аспекты организации «последней мили», но и вопросы построения проводных участков, а также системно-технологического обслуживания оборудования проектируемой сети.Актуальность проектирования подтверждена – в районе проектирования широкое развитие может иметь концепция Mashine – To–Mashine, что само по себе достаточно для организации сети широкополосного беспроводного радиодоступа. На данный момент сети поколения 5Gне имеют широкого применения в системе связи общего пользования. Но данная технология является инновационной и перспективной, так как требования пользователя к оборудованию постоянно растут и необходимо увеличивать ресурсы каналообразующего оборудования и аппаратуры. На момент окончания проектирования в рамках курсовой работы считаю, что все ее цели достигнуты и все ее задачи выполнены. Подобное проектирование, выполненное самостоятельно, крайне полезно для студентов, обучающихся по моей специальности, так как полнофункциональный проект даст глубокое понимание принципов работы самостоятельных систем связи, а также позволит глобально мыслить, как начинающий проектировщик и сотрудник службы эксплуатации систем связи общего пользования. Данный проект может иметь практическое применение, так как в рамках его выполнения проведенные расчеты реальны, как и разработанные схемы. БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОКВ. Олифер, Н. Олифер. “Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы”. Учебник для вузов. Издание 3. Спб, 2014 г;В. Смирнова, П. Козик. “Технологии современных сетей сотовой связи. Методы коммутации и управления потоками данных”, Г. М. Афонина, П. В. Безногов, В. В. Гераскин “Большая энциклопедия технологий передачи данных”, 4 том. 2 изд. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», Москва, 2003;ЭндрюТаненбаум, ДэвидУэзеролл, “Computer Networks, 5ed.”, New York, 2009;Н. Кузьменко. “Компьютерные сети и сетевые технологии”, Москва, 2009;Вестник АГТУ №2 Сер. Управления, вычислительная техника, информатика, 2019.Майкл Палмер, Роберт Брюс Синклер. Проектирование и внедрение сетей 5G– Санкт Петербург: БХВ-Петербург, 2019Ачилов Р. Построение защищенных сетей сотовой связи – Москва: ДМК Пресс, 2012.Гольдштейн Б. С., Соколов Н. А., Яновский Г.Г. Сети связи. СПб. «БХВ – Петербург», 2010. – 400 с. Анатолий Сомов, Сергей Корнев. Системы радиосвязи – Москва: Горячая линия – Телеком, 2012. - 224сАндрей Семенов. Администрирование сетей связи и их проектирование – Москва: ДМК Пресс, Компания АйТи, 2014. – 192 с.Александр Ермаков. Основы конфигурирования корпоративных сетей Cisco. Москва: ФГБОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. 2013.ВиджейБоллапрагада, КэртисМэрфи, Расс Уайт. Структура операционной системы Cisco IOS. Нью-Йорк: Вильямс. 2014Берлин А. Н.. Цифровые сотовые системы связи. Москва: Эко-Трендз. 2013.А. Г. Лашко, В. А. Балашов, Л. М. Ляховецкий. Технологии широкополосного доступа 5G. Москва: Эко-Трендз. 2019.Синди Фейт. TCP/IP. Архитектура, протоколы, реализация. ЛОРИ. 2019.