Planiranje Prijenosa

0

Sadržaj

Planiranje prijenosa

1.1. Uvod 2

1.2. Mikrowave planiranje

3

1.2.1. Definicija 3

1.2.2. Zadaci microwave planiranja 4

1.2.3. Planiranje topologije 5

1.2.4. Planiranje frekvencija 7

1.2.5. Interferencije (smetnje) 9

1.2.6. Link Budget 10

1.2.7. Feding (iščezavanje signala) 12

1.2.8. Fresnel zone 17

1.2.9. Izbočenost Zemlje 19

1.2.10. Visina antene 21

1.2.11. Kvalitet i dostupnost 21

1.2.12. Pravila palca 23

Literatura 24

1

1.1 Uvod

U ovom materijalu ćemo opisati planiranje transportne mreže sa posebnim naglaskom na

mikcrowave planiranje.

Nakon što je radio planiranje zavrseno, bazne stanice bi trebale biti povezane jedna sa drugom

i dalje sa ostatkom mreže. (slika 0-1)

RADIO PLANIRANJE PLANIRANJE TRANSMISIJE

Slika 0-1 Odnos između radio planiranja i planiranja transmisije (prenosa)

Na slici 0-2 je predstavljen odnos između transportne mreže i pristupne te kičmene mreže:

Slika 0-2 odnos pristupne, transportne i kičmene mreže

2

Zadatak planiranja trasportne mreže je da se izabere tehnologija (mikrotalasna ili optička) i da

se dizajnira topologija linkova i mreže kako bi se pristupne tačke (bazne stanice) mogle

povezati jedna sa drugom i sa kičmenom mrežom. Cilj optimizacije je kao i u planiranju

drugih mreža da se zadovolje zahtijevi za kapacitetom i kašnjenjem imajući na umu troškove i

moguća buduća proširenja.

1.2 Mikrowave planiranje

Jedna od mogućnosti realizacije transmisione mreže ili nekog njenog dijela je da se koristi

bežična transmisija tj microwave.

1.2.1 Definicija

U literaturi se pronalazi tipična definicija microwave sistema koja glasi:

Microwaveje komunikacijski sistem koji koristi radio frekvencijski opseg od 2 do 60 GHz.

Prednosti microwave nad optičkim prenosom su:

- Brzo postavljanje

- Linkovi koji idu preko planina i rijeka se izvode mnogo ekonomičnije

- Manje su podložni sličajnim oštečenjima

- Instalacija i održavanje su na jednom mjestu

- Osiguravanje je na jednom mjestu

-

Nedostatci microwave sistema su: veća osjetljivost na vremenske neprilike, smetnje i općenito

imaju manji kapacitet (za isti opseg) u odnosu na optičke sisteme.

Microwave sistemi se obično postavljaju na istim site-ovima i dijele istu konstrukciju kao i

bežične bazne stanice (BTS ili čvorB), što vidimo na slici 0-3

3

Slika 0-3 Tipična microwave instalacija

1.2.2 Zadaci microwave planiranja

Na silci 0-4 vidimo povezanost različitih zadataka mocrowave planiranja

Slika 0-4 Povezanost između zadataka planiranja microwave linka

4

1.2.3 Planiranje topologije

Zadatak planiranja topologije je da se definiše kako bi bazne stanice trebale da budu povezane

jedna sa drugom i dalje na mrežne switch-eve (prebacivače) (BSC, MSC). U osnovi postoje

tri moguće konfiguracije:

- Lanac

- Petlja

- Grana

- Zvijezda

Naravno da su moguće različite kombinacije ovih osnovnih konfiguracija. Sada ćemo opisati

ove tri konfiguracije i navesti njihove prednosti i nedostatke.

Lanac

Lanac se definise kao odredjeni broj site-ova povezanih u sekvencu, gdje je svaki sredisnji

site povezan sa dva i samo dva site-a u lancu. (slika 0-5)

Prednosti: - Manja koncentracija opreme na cvornim tackama

- Precizne studije dostupnosti

Nedostatci: - Visok kapacitet u blizini cvornih tacaka

- U slucaju propalog hopa izgubljeni promet se rutira na slijedecu stanicu

5

Prsten

Prsten je zatvoreni path koji povezuje odredjen broj site-ova u krug (slika 0-6)

Slika 0-6 Prsten

Prednosti: - veća dostupnost, postoje dva alternativna path-a

Nedostatci: - Potrebno više linkova- svaki site treba biti povezan sa dva druga site-a

- Poprečno povezivanje ako je potrebno

- Visoki zahtjevi za kapacitetom (svaki hop prenosi cijeli promet prstena)

Grana

Grane se definisu kao pojedini linkovi koji su povezani na prsten ili hub site (slika 0-7)

Slika 0-7 Grana

6

Zvijezda

Zvijezde ili hubovi se definisu kao cvorovi koji su povezani sa nekoliko site-ova putem lanca

ili grane. (slika 0-8)

Slika 0-8 Zvijezda

Prednosti:

- Svaki path je nezavisan od ostatka prometa

- Ogranicen broj sekcija u lancu

- Manji broj linkova

Nedostatci:

- Velika koncentracija opreme na cvornim site-ovima

1.2.4 Planiranje frekvencija

Zadatak planiranja frekvencija je da se dodjele frekvencije u mreži prema slijedeći

kreiterijumima:

- koristenje sto je moguce manje frekvencija

- kvalitet i dostupnost path-ova radio linka da bude minimalno pod utjecajem smetnji

Prilikom planiranja frekvencija slideći kraci se moraju koristiti:

1. Odredjivanje frekventnog opsega koji odgovara specificnom linku (duzina path-a,

lokacija site-a, topografija terena i efekti atmosfere) je odredjeno ITU preporukama i

specificnim pravilima i licencama drzave.

7

2. Dostupni frekventni opseg je podjeljen u dvije polovine, nizu i visu dupleks polovinu,

sa dovoljnim razmakom izmadju njih. Sirina svakog kanala zavisi od kapaciteta radio

linka i tipa modulacije koji se koristi.

3. Alociranje frekvencija zbog prevencije medjusobne interferencije (izmedju radio

frekventih kanala u odredjenom path-u, interferencije na i od radio patha,

interferencije na i od satelitskih sistema)

Slika 0-9: podjela microwave frekvencija u dva opsega: viši i niži

Da bi se izbjegle interferencije, frekvencije mobu biti alocirane na linkovima u lancu na

naćin kako je prikazani na slici 0-10

Slika 0-10 Alociranje frekvencija na linkovima u lancu

Ako dovoljno frekvencija nije dostupno, koriste se različite polarizacije kako bi se

izbjegla interferencija. Za slućaj sa slike 0-10 i a ako imamo samo jedan a ne tri para

frekvencija onda se moze koristiti različita polarizacija kao na slijedecoj slici:

8

Slika 0-11 alociranje frekvencija sa različitom polarizacijom

Treba naglasiti da frekvencijsko planiranje nekoliko path-ova se moze izvesti manualno

(ručno), ali za veće mreže se preporućuje da se koristi softverski alat za dizajn prenosa.

1.2.5 Interferencije (smetnje)

Da bi tacno predvidjeli performase digitalnog radio path-a moramo uzeti u obzir efekat

interferencija. Kako bi odrzali pouzdanu uslugu odnos pozeljnog primljenog signala i

nepozeljnog primljenog signala bi trebao da bude veci od vrijednosti praga. Vrijednost praga

je određuje prema marginama smetnji:

- Fade margina smetni susjednih kanala (AIFM) (u decibelima) je odgovorna za

degradaciju praga na prijemniku uslijed smetnji izazvanih susjednim kanalima

predajnika

- Fade margina smetnji (IFM) je dubina fade-a iscezavanja do tacke u kojoj RF smetnje

smanjuju BER na 1x103 . Imamo slijedeće naćine da odredima IFM:

o C/I (smetnje nosioca), stariji naćin koristen u analognim radio prenosima

o T/I (prag smetnji) metoda gdje se (T/I) krivulje koriste za definisanje

maksimalnih nivoa snage smetnji za različita frakvencijska odvajanja između

predajnika koji stvaraju smetnje I prijemnika koji ih trpa.

9

1.2.6 Link Budget

Link budget je racunanje, kako bi se odredila maksimalna udaljenost na kojoj predajnik i

prijemnik mogu uspjesno operirati/raditi tj. Koliki su maksimalni gubitci na putu između

predajnika i prijemnika a da je komunikacija i dalje moguća.

Prilikom raćunanja Link Budgeta treba uzeti u obzir slijedeće faktore:

- Maksimalnu snagu predajnika

- Gubitke na kablovima i konektorima- tj hardveru koji se koristi za prenos

predajnog/prijemnog outputa od/ka anteni

- Dobitci antene na svakom kraju se trebaju dodati na dobitke sistema

- Gubitci propagacije- uslijed Zemljine atmosfere i terena

- Margina fadinga i neocekivanih gubitaka-poput magle, objekata koji prolaze preko

putanje, slabe instalacije opreme, nesavrsenog usmjerenja antene

- Prag osjetljivosti prijemnika je nivo signala na kojem radio dobija kontinuirane

greske za specificirani bit rate

- U vecini slucajeva izracunavanje nivoa primljenog signala je nezavisno od smjera

Na slici 0-12 vidimo model koji se koristi za izracunavanje link budget-a:

Slika 0-12 Model izraćunavanja Link budget-a

Na osnovu modela sa slike 0-12 možemo izraćunati Link budget:

Prx A= Ptx B – gubitci hardvera(Tx) B – gubitci fideraB + dobitci anteneB – FSL

+ dobitci anteneA – gubitci fideraA – gubitci hardveraA – Fade margina (1)

10

Za ovo izraćunavanje su nam potrebne i slijedeće formule.

Dobitci antene se izraćunavaju prema slijedećij jednaćini:

Dobitci antene= 20 Log (frekv.) + 20 Log (precnik.) + 10 Log (K) + 20.4

Gdje factor K zavisi od tipa antene I obicno je između 0,45 I 0,55.

Gubitci slobodnog prostora (FSL) su onogućeni kada predajnik I prijemnik imaju ćistu

liniju pogleda (LOS) bez prepreka I izraćunava se prema FRIIS jednaćini:

FSL = 20 Log (frekv.) + 20 Log (udaljenost.) + 92.46

Udaljenost - km

Precnik - Metri

Ptx - Dbm

Frekvencija - GHz

Gubitci - dB

Dobitci - dB

Prx - dBm

FSL-dB

Iz formule (1) mozemo izraćunati snagu prijemnika i provjeriti da li je ona dovoljna da

omogući signal dovoljne kvalitete tj da li iznad potrebnog praga koji zavisi od brzine i

osobina prijemnika. Ako nije, mozemo, ukoliko je moguće, smanjiti gubitke, povećati dobitke

antene ili smanjiti fading marginu.

11

1.2.7 Feding (iščezavanje signala)

Feding je varijacija snage primljenog radio signala nosioca zbog atmosferskih promjena i / ili

refleksije tla i vode na propagacijskom putu.

Na slici 0-13 zastupljeni su različiti tipovi fedinga:

Slika 1-13 :Različiti tipovi fedinga

12

Sljedeći tipovi fedinga su bitni za projektovanje mikrovalnih sistema:

1.Višestazni feding

2.Kišni feding

3.Refrakcija-difrakcije feding (feding k-tipa)

Višestazni feding ima sljedeće karakteristike:

Višestazni feding je feding dominantnog mehanizma za frekvencije niže od 10 GHz.

Reflektovani talas uzrokuje višestazni feding, npr. kada reflektovni talas dosegne prijemnik

kao izravni talas koji putuje u ravnoj liniji od odašiljača.

Ako dva signala dosegnu fazu onda se signal pojačava. To se zove upfade (up-fade max = 10

log d - 0.03d (dB), d je duljina puta u km)

Ako dva talasa dosegnu do prijemnika izvan faze oni će oslabiti ukupni signal. Mjesto gdje je

signal otkazan od strane višefaznog fedinga se zove null ili downfade.

Višestazni feding može biti dalje raščlanjivan u fiksnu i selektivni frekvencijski feding:

Feding neovisan o frekvenciji:

Iščezavanje kod kog su sve frekvencije u kanalu pod istim uticajem. Tu je jedva primjetna

promjena amplitude signala preko propusnog kanala.

Kao pravilo palca, višestazni feding, za radio veze koji ima propusnost manju od 40 MHz i

stazu dužine manje od 30 km, je opisan kao fiksni umjesto selektivnog frekevencijskog

fedinga.

Ako potrebno fiksno iščezavanje margine linka može biti poboljšano pomoću većih

antena,visoko-snažnih mikrotalasnih odašiljača, manjeg gubitak snabdjevene linije i

dijeljenjem dužeg puta u dva kraća hmelja.

Na vodenim stazama na frekvencijama iznad 3 GHz, korisno je da izaberu vertikalnu

polarizaciju.

Selektivni frekvencijski feding (vidi Slika 0-14) je prisutan kad su amplituda i grupno

kašnjenje iskrivljeni preko propusnog kanala. To utječe na srednje i visoke kapacitete radio

linkova (> 32 Mbps).

13

Slika 0-14 :Selektivni frekvencijski feding

Osjetljivost digitalne radio opreme selektivnog frekvencijskog fedinga može se opisati

oznakom krivulje opreme. Moderni digitalni radio je vrlo robustan i imun je na aktivnosti

spektara iskrivljenog iščezavanja. Samo glavna pogreška u putanji inženjeringa (pogrešna

antene ili odstupanje) preko visoko -pročišćenog puta može uzrokovati probleme

disperzivnog fedinga.

Feding kiše

Kiša slabi signal uzrokovan raspršavanjem i apsorpcijom elektromagnetskih valova kapi kiše.

To je značajno za duge staze (> 10 km). Feding kiše počinje se povećavati na oko 10 GHz i za

frekvencije iznad 15 GHz, feding kiše je dominantni feding mehanizam (vidi Sliku 0-15).

14

Slika 0-15 : Autenacija u zavisnosti od intenziteta kiše i frekvencije

Dostupni podaci padvina su obično u obliku statističkog opisa količine kiše koja pada na

određenoj tački mjerenja tokom vremenskog razdoblja. Postotak vremena za koji je dati kišni

intenzitet dostignut ili prelazi je na raspolaganju za 15 različitih kišnih zona koje pokrivaju

cijelu površinu Zemlje. U jednom primjeru autenacije kiše statistika za jednu od ITU zona

data je u Slici 0-16.

15

Kako bi kompenzirala za kišni feding , kao i za druge vrste fedinga, margina je uključena u

izračun link proračuna.

Granica fadinga

Fading- varijacija snage signala se treba uzeti u obzir prilikom računanja ling budgeta u formi

„granice fadinga“ (pogledati (1)). Granica fadinga je „rezerva“ ugrađena u link budget kako bi

se osiguralo da je nivo primljenog signala iznad zahtjevanog praga u određenom procentu

vremena koje je definisano kriterijem o dostupnosti linka (taj procenat obično iznosi 99,9%).

Naravno, što je veća granica fadinga, manja je vjerovatnoća da će signal pasti ispod praga i

veća je dostupnost linka.

Na slici 0-17, prikazane su dvije krive koje pokazuju vjerovatnoću fadinga u zavisnosti od

visine fadinga.

Slika 0-17: Vjerovatnoća fadinga u zavisnosti od visine fadinga prema ITU i lognormal

raspodjelama

Na primjer, kako bi se osigurala dostupnost linka 99,9%, fading ne bi trebao da bude veći od

granice fadinga za više od 0,1% vremena (fading vjerovatnoća 0,001). Znači, prema slici 0-17

granica fadinga bi trebala biti otprilike 22 dB u slučaju lognormal raspodjele i 24 dB u slučaju

ITU fading raspodjele.

16

Kompozitna granica fadinga (Composite Fade Margin –CFM) je granica fadinga koja se

primjenjuje u jednačini višestaznog slabljenja gubitaka za digitalni mikrotalasni radio

uzimajući u obzir interferenciju i fading:

CFM = TFM + DFM + IFM + AIFM

= -10 log (10-TFM/10 + 10 – DFM/10 + 10-IFM/10 + 10-AIFM/10 )

Gdje je

TFM=ravno slabljenje (razlika između normalnog RSL-a i BER-a, BER=1*10-3 gubitak

digitalnog signala)

DFM=disperzivno slabljenje

IFM=interferencijsko slabljenje

AIFM=interferencijsko slabljenje susjednog kanala

1.2.8 Fresnel zone

Kao što je već naglašeno u opisu višestaznog slabljenja refleksija na zemljinu površinu može

povećati višestaznu propagaciju, npr. direktna zraka na prijemniku može interferirati sa

refleksijom zrake od površinu i gubitak refleksije može biti značajan.

Slika 0-18: Višestazno slabljenje zbog refleksije od zemljinu površinu

17

Kako bi se smanjila vjerovatnoća višestazne refleksije koristi se koncept Fresnelovih zona:

Fresnel zone se područja konstruktivnih i destruktivnih interferencija koje nastaje u

slučaju refleksije elektromagnetnih talasa u slobodnom prostoru (multipath) ili u slučaju

difrakcije kada talas presjeca prepreke (koncentrične elipse).

Slika 0-19: Fresnel zona: d je udaljenost između predajnika i prijemnika, b je radijus

Fresnel zone.

Tačnost višestaznog slabljenja npr. razaranje signala zavisi u velikoj mjeri od promjene faze

između direktnog i indirektnog talasa. Prepreke u prvoj Fresnel zoni će stvoriti signale čija će

faza biti pomjerena za od 0 do 90 stepeni, u drugoj Fresnel zoni faza će biti pomjerena za 90

do 270 stepeni, u trećoj zoni za 270 do 450 stepeni itd.

Radijus Fresnel zone se može izračunati po formuli koju je dao August Fresnel (1788-1827,

francuski inžinjer koji je dao značajan doprinos utemeljivanju teorije o talasnim preprekama).

(2)

18

Gdje je:

Fn=radijus n-te Fresnel zone u metrima

d1=udaljenost P od jednog kraja u metrima

d2=udaljenost P od drugog kraja u metrima

λ=talasna dužina prenesenog signala u metrima

u prvoj Fresnel zoni većina energije se transportuje, tako da u ovoj zoni ne bi trebalo da bude

prepreka poput drveća, kuća ili brda. U slučaju da je jedan dio prve Fresnel zone zaklonjen,

signal može imati značajnu atenuaciju, npr. ako je polovina prve Fresnel zone zaklonjena,

gubitak signala iznosi oko 6 dB.

Koristeći formulu (2) računamo radijus Fresnel zone:

(3)

Gdje je r radijus prve Fresnel zone u metrima, d udaljenost između predajnika i prijemnika u

kilometrima i f je frekvencija u MHz.

1.2.9. Izbočenost Zemlje

Pošto Zemlja nije ravna nego okrugla, linija vidnog polja (LOS) između odašiljača i

prijemnika je blokirana za visinu h, usljed izbočenosti Zemlje.

19

Slika 0 – 20. Model za izračunavanje izbočenosti Zemlje

Primjenom Pitagorine teoreme na modelu sa slike 0 – 20, dolazimo do sljedećih relacija

između visine h (u metrima) za koju je vidno polje blokirano usljed izbočenosti Zemlje, te

razdaljine između odašiljača i prijemnika d (u kilometrima)

RF signali se ne šire pravolinijski zbog određenih provodnih svojstava koje imaju atmosferski

slojevi, te su zato pravci širanje talasa na neki način zakrivljeni.

20

Slika 0 – 21. Savijanje/zakrivljenje zraka u atmosferi (refrakcija)

LIGHT AIR – rjeđi zrak

DENSE AIR – gušći zrak

Ovo je jedan od razloga zašto efikasna razdaljina stanice d nije jednaka liniji vidnog polja

(LOS), ali se može ispraviti uz pomoć faktora k, uzimajući u obzir zakrivljeni pravac širenja,

tako da dobijemo sljedeću jednačinu:

Pod normalnim vremenskim uslovima k = 4/3.

1.2.10 Visina antene

Iz prethodnih opisa, minimalna visina antene u mikro-talasnim sistemima se izračunava kao

zbir prvog radijusa Fresnel zone (jednačina 3) i izbočenosti Zemlje (jednačina 5):

21

Minimalna visina antene =

1.2.11 Kvalitet i dostupnost

U ITU-T preporukama G.801, G.821 I G.826 definisana su svojstva grešaka kao i ciljevi

dostupnosti. Ciljevi digitalnih veza se dijele u odvojene tipove: visoki, srednji i lokalni tip.

Sljedeći tipovi veza se obično koriste u bežičnim mrežama:

- srednji tip vrste 3 za pristupnu mrežu

- visoki tip za glavnu mrežu.

Ono što najviše brine korisnike mikro-talasnih sistema jeste koliko često i koliko dugo sistem

može biti van upotrebe/nedostupan.

Prekid u digitalnoj mikro-talasnoj vezi javlja se usljed gubitka digitalnog signala pri

sinhronizaciji u periodu većem od 10 sekundi. Gubitak digitalnog signala se obično javlja

kada se BER poveća iznad 1x10-3.

Sljedeća formula se koristi za izračunavanje prekida

Prekid (Nedostupnost) (%) = (SES/t) x 100

gdje je

t – vremenski period (uzražen u sekundama)

SES – izrazita greška u 1 sekundi.

Dostupnost se procentualno izražava kao

A = 100 – Prekid (nedostupnost)

22

Digitalna veza je nedostupna za pristup ili izvođenje verifikacije nakon deset uzastopnih SES

perioda povećanja BER-a iznad 1x10-3.

Redundacija

Redundacija predstavlja standardan način smanjenja prekida. Sljedeći tipovi redundacije se

mogu koristiti u mikro-talasnim sistemima.

Redundacija hardvera: hot standby zaštita, više-kanalna i više-linijska zaštita.

Poboljšanje raznovrsnosti: prostora, ugla, frekvencije, ukrštavanja talasa, smjera kretanja,

hibridna i medijska raznovrsnost.

Anti-reflektivni sistemi

Povratnici: aktivni i pasivni.

1.2.12 Pravila palca

Pri mikro-talasnom planiranju, trebaju se uzeti u obzir sljedeća pravila:

- Koristiti talase viših frekvencija za kraća rastojanja a talase nižih frekvencija za veća

rastojanja.

- Izbjegavati upotrebu talasa nižih frekvencija u gradksim područjima.

- Koristiti konfiguraciju/vezu zvijezde i čvora za manje mreže a konfiguraciju prstena za veće

mreže.

- U područjima sa većim količinama padavina, po mogućnosti koristiti talase frekvencije ispod

10 GHz.

- Koristiti zaštitne sisteme (1+1) za sve važnije i/ili veze velikog kapaciteta.

- Ostaviti dovoljno rezervnog kapaciteta za buduće proširivanje sistema.

- Poboljšavanje prostora je veoma skup način poboljšavanja učinkovitosti mikro-talasnih veza,

te bi se trebalo koristiti pažljivo i u krajnjoj potrebi.

23

- Planiranje funkcija mikro-talasnog prostiranja i frekvencija bi se po mogućnosti trebalo

izvoditi uporedo sa planiranjem funkcija linije vidnog polja i dizajnom ostalih funkcija mreže

zbog bolje efikasnosti.

- Koristiti mape koje nisu starije više od godinu dana.

- Pobrinuti se da svaka osoba koja radi na projektu koristi iste mape, datume i koordinatne

sisteme.

- Izvoditi detaljne preglede na svim mikro-talasnim čvorevima. Mape se koriste samo za

početno i približno planiranje.

- Pri frekvenciji ispod 10 GHz, prekidi se ubrzano povećavaju sa povećavanjem dužine širenja

talasa. Na povećvanje prekida također utiču frekvencija, klimatski faktori i prosječna godišnja

temperatura.

- Efekat više-talasnog širenja može se smanjiti pomoću većeg smanjenja margina/granica. Ako

se pri širenju javljaju učestali prekidi, učinkovitost se može poboljšati korištenjem jedne od

metoda raznovrsnosti.

- U područjima sa puno kiše, koristiti talase najnižih frekvencija koji su dozvoljeni za projekat.

- Mikro-talasni čvorevi iznad ili u blizini površina sa većom količinom vode, kao i u ravnim

područjima, mogu prouzrokovati velika smanjenja u širenju talasa.

- Odbijanja talasa se mogu ozbjeći tako što će se odabrati mjesta koja su zaštićena od zraka

koje odbijaju talase.

- Pobrinuti se za topla i vlažna obalna područja.

Literatura

H. Lehpamer: „Mreže sa mikro-talasnimm prijenosima: Planiranje, dizajn i stavljanje u

funkciju“, McGraw-Hill Professional; prvo izdanje, 2004.

A.R. Mishra: „Napredno planiranje i optimizacija mobilnih mreža“, Wiley; prvo izdanje,

2007.

24