Оптимизация сетей стандарта IMT-2000/UMTS в московской зоне при обеспечении ЭМС РЭС с РЭС правительственного назначения

Журнал «Электросвязь» № 9, 2013

Авторы : А.Е. ЛЕОНТЬЕВ, начальник отдела инструментальной оценки ЭМС и сертификации РЭС, департамент безопасности ИТ и ЭМС ООО «Гейзер-Телеком»; П. Ф. ПИМАНКИН, ведущий специалист отдела инструментальной оценки ЭМС и сертификации РЭС, департамент безопасности ИТ и ЭМС ООО «Гейзер-Телеком»

Сообществу операторов сотовой связи хорошо известны трудности развертывания сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS диапазона 2110-2170 МГц в центральном регионе России. Дело в том, что этот же диапазон на первичной основе используется радиоэлектронными средствами (РЭС), применяемыми для нужд государственного управления, обеспечения безопасности и обороны страны. Проводимые в последние годы мероприятия по конверсии радиочастотного спектра (РЧС) не затрагивают данные РЭС ввиду их особой важности, сложности и высокой стоимости. Задача совместного использования радиочастотного спектра при развертывании и наращивании сетей стандарта ГМТ-2000/UMTS может решаться только при безусловном обеспечении ЭМС за счет оптимизации пространственно-энергетических характеристик развертываемых группировок базовых станций (БС). А поскольку развертывание и наращивание сетей операторами связи происходит поэтапно, оптимизация параметров сетей всякий раз должна осуществляться заново на каждом очередном этапе с учетом изменения их структуры.

Оптимизация сетей стандарта IMT-2000/UMTS.

Под оптимизацией обычно понимается деятельность, направленная на получение наилучших результатов при соответствующих условиях. В данном случае целью развития сетей является улучшение качества обслуживания абонентов, а ограничивающим условием — обеспечение ЭМС с РЭС, используемыми для нужд государственного управления, обеспечения безопасности и обороны страны.

Постановка задачи оптимизации предполагает наличие:

1. объекта оптимизации. В данном случае это сеть подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS;
2. набора независимых переменных (количество передатчиков и их пространственно-энергетические параметры);
3. условий (ограничений), характеризующих приемлемые значения независимых переменных: уровень группового сигнала от передатчиков сети в районе расположения защищаемых РЭС.

Оптимизация сети за счет изменения пространственно-энергетических характеристик БС осуществляется по критерию непревышения уровня группового сигнала от всех передатчиков сети допустимого уровня помех на входе защищаемых РЭС, поэтому простое увеличение количества передатчиков вызывает необходимость пропорционального снижения мощности, излучаемой в направлении защищаемых РЭС каждого из них.

Диапазон изменения энергопотенциала БС (эквивалентная изотропно-излучаемая мощность, ЭИИМ), который может быть использован для снижения энергопотенциала всей группировки, за счет изменения мощности передатчика составляет порядка 10 дБ и ограничивается значением минимальной мощности передатчика, при которой обеспечивается нормальное функционирование БС (1-2 Вт).

Кроме мощности передатчика, на энергетику сигнала в точке приема влияют другие изменяемые параметры, такие как высота подвеса антенн, ориентация их по азимуту и углу места.

Что касается возможностей изменения высоты подвеса антенн, то применительно к городским условиям размещения они ограничены в основном конструкцией зданий и сооружений, на которых монтируются антенны. И более того, на помеховый энергопотенциал радиолинии в большей степени влияют не собственно высоты подвесаантенн над уровнем Земли, а высоты рельефа в районах размещения БС. В частности, для Московского региона перепад высот рельефа составляет от 50 до 300 м. В ряде случаев уровень помехового сигнала от БС, более удаленных, но размещенных в точках с большими высотами рельефа, может значительно превышать уровень помехового сигнала от БС, расположенных на границе 60-километровой зоны.

Диапазон изменения энергопотенциала БС за счет изменения ориентации секторной антенны по азимуту относительно направления на защищаемое РЭС и угла наклона можно оценить из графиков, приведенных на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1. Зависимость коэффициента усиления антенны от азимута и наклона ДНА (а) и от наклона по углу места и азимута (б)

Здесь в качестве примера используется антенна фирмы KATHREIN типа 742215 с коэффициентом усиления 18 дБ, поскольку при построении сетей чаще всего применяются антенны с аналогичными характеристиками. Из анализа приведенных графиков следует:

1. диапазон изменения энергопотенциала БС за счет изменения углов ориентации 3-секторных антенн по азимуту с секторами, разнесенными на 120°, без наклона диаграммы направленности составляет не более 10 дБ и может быть увеличен до 15 дБ при неравномерном угловом разносе (например, при значениях разноса между секторами 100, 100 и 160°);
2. диапазон изменения энергопотенциала БС за счет изменения угла наклона секторных антенн (при ориентации оси ДНА на РЭС — рецептор помех) может достигать 40 дБ при наклоне секторных антенн до 10°;
3. максимальный диапазон изменения энергопотенциала БС за счет совместного изменения угла ориентации 3-секторных антенн (с секторами, разнесенными на 120°) по азимуту до 60° и наклона диаграммы направленности до 10° может достигать 50 дБ.

Следует отметить, что применение антенн с углами наклона более 4-5°, в связи с большой крутизной огибающей главного лепестка диаграммы направленности, накладывает на оператора сети высокую ответственность за соблюдение заявленных параметров, поскольку, например, отклонение угла наклона на 1° (с 7 до 6°) от заявленного для антенны KATHREIN типа 742215 (см. рис. 1, б) приводит к увеличению мощности, излучаемой в направлении на РЭС — рецептор помех, на 6 дБ (в 4 раза).

Более значительный результат может быть достигнут, если для наращивания сети использовать 2-секторные БС с осями диаграмм направленности, ориентированными по азимуту на ±120° и более от направления на защищаемое РЭС.
На рис. 2 представлена расчетная диаграмма направленности такой 2-секторной антенны с коэффициентом усиления 18 дБ, реальные диаграммы направленности секторной антенны KATHREIN — на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Идеализированная диаграмма направленности 2-секторной антенны

Рис. 3. Реальная ДНА в горизонтальной (синяя линия) и вертикальной (красная) плоскостях

Рис. 4. Реальная (нормированная) диаграмма направленности секторной антенны с коэффициентом усиления 18 дБ

Анализ приведенных на рис. 3 и 4 диаграмм направленности показывает, что при ориентации 2-секторных антенн на ±110...120° относительно направления на защищаемые РЭС диапазон возможного изменения энергопотенциала БС может составлять от 25 дБ без наклона ДНА и до 60 дБ при использовании антенн с наклоном ДНА до 10°. Это означает, что наклон ДНА может эффективно использоваться в случае не только «повернутых», но и «отвернутых» от защищаемых РЭС секторов для снижения общего помехового энергопотенциала всей группировки БС. Применение 2-секторных антенн может быть рекомендовано в первую очередь в локальных территориальных фрагментах сети с большими высотами рельефа местности и в зоне 60-80 км.

Оптимизация сети благодаря использованию рассмотренных подходов приведет к сокращению размеров зон обслуживания отдельных БС. Соответственно снизится процент покрытия обслуживаемой территории, что и должно быть компенсировано увеличением общего количества базовых станций и плотности их размещения. Именно повышение плотности размещения БС является средством для достижения цели — улучшения качества обслуживания абонентов путем повышения пропускной способности всей сети в целом и каждого ее территориального кластера. При этом для группировки с повышенной плотностью размещения БС можно установить минимальное значение угла наклона применительно к антеннам типа KATHREIN 742215 в 6°, что соответствует значению ширины ее диаграммы направленности по уровню -3 дБ.

Заключение.

Результаты данного исследования позволяют сделать ряд важных выводов.

Улучшение качества обслуживания абонентов в результате повышения пропускной способности сети за счет увеличения количества базовых станций в группировках столичного региона при условии обеспечения ЭМС с РЭС, используемыми для нужд органов государственной власти, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка, возможно.

Увеличение количества передатчиков сетей стандарта IMT-2000/UMTS, при условии непревышения групповым сигналом допустимого уровня помех на входе защищаемых РЭС, реализуемо за счет снижения удельной (на каждую станцию сети) мощности излучения в направлении на защищаемые РЭС. Такая возможность обеспечивается в результате:

1. снижения максимального значения мощности передатчика (мощности, подводимой к антенне);
2. снижения коэффициента усиления секторных антенн в направлении на защищаемые РЭС;
3. применения 2- и 3-секторных антенн с «отвернутыми» на ±80...100° секторами от направления на защищаемые РЭС.