CC BY
10УДК 656.254.16
Зыков В. И., Ромашкова О. Н., Попов И. Л.
БЕЗОПАСНОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ МОБИЛЬНОЙ СЕТИ СВЯЗИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОНЫ ЭСТАФЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ СОТОВОЙ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Рассматриваются вопросы эстафетной передачи данных (хэндовера; handover) в сетях сотовой связи технологий многостанционных доступов с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделениями для безопасного размещения базовых станций мобильной сети связи.
Для мягкого хэндовера (soft handover), реализуемого при CDMA, вводится понятие гипотетической зоны эстафетной передачи, предлагается методика определения её размеров с учётом условий чрезвычайной ситуации.
Ключевые слова: эстафетная передача, безопасность, устойчивость, чрезвычайная ситуация, сотовые сети связи.
Единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) объединяет органы управления, силы и средства федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления и организаций, в полномочия которых входит решение вопросов в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС), и осуществляет свою деятельность в целях выполнения задач, предусмотренных Федеральным законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Таким образом реализуется система мер, обеспечивающих безопасность страны, защиту граждан и территории от различных кризисов и угроз.
Анализ информации о ЧС, учитывая структуру угроз и динамику их изменений, свидетельствует, что стихийные бедствия, связанные с опасными природными явлениями, пожарами, а также техногенные аварии - основные источники ЧС, представляющие существенную угрозу для безопасности граждан, экономики страны и устойчивого развития и национальной безопасности России.
Важнейшим аспектом организации железнодорожного транспорта является безопасное движение поездов (свойство движения поезда находиться в неопасном состоянии за расчетное время, когда отсутствует угроза сохранности жизней и здоровья пассажиров, технического персонала, населения, сохранности грузов, объектов хозяйствования, технических средств транспортной системы) [1].
В настоящее время организация и функционирование железнодорожного транспорта невозможны без телекоммуникационных средств. Задачей телекоммуникаций на транспорте является управление перевозками, финансами и ресурсами,
содержанием и ремонтом транспортной инфраструктуры и подвижного состава, а также обеспечением безопасности движения и оперативной передачи экстренных сообщений о возникновении аварий и ЧС на транспорте.
Широко известные варианты организации связи - проводная перегонная связь и аналоговая ремонтно-оперативная радиосвязь (РОРС), которые применяются в настоящее время на сети железнодорожных дорог, - уже не способны удовлетворить возросшую потребность решения современных технологичных задач (связь с подвижными объектами, передача данных, контроль местоположения подвижных объектов на станциях и перегонах).
При ЧС потеря времени при осуществлении соединения связи в точке фиксированной перегонной связи недопустима. Необходима повсеместная гарантированная надежная связь - лишь при выполнении таких условий возможно обеспечение необходимого уровня безопасности на железнодорожном транспорте.
Указанным требованиям соответствовал широко известный и успевший себя хорошо зарекомендовать стандарт сотовой связи GSM, что и подтолкнуло специалистов к созданию ремонтно-оперативной радиосвязи ОАО «РЖД» на базе сетей подвижной связи стандарта GSM (РОРС GSM).
Пользователи сети РОРС GSM являются закрытой группой пользователей. Это означает, что с мобильных терминалов можно совершать звонки только внутри сети связи ОАО «РЖД», не имея возможности выхода в открытую сеть, что гарантирует безопасность и защищенность служебной информации и данных.
Сети GSM основаны на использовании многоуровневых схем построения сотовой сети. Недостатком подобных систем является их
неустойчивость: отказ одного элемента сети может повлечь за собой отказ работы всей системы сотовой связи. Одним из важнейших аспектов безопасности и надёжности предоставления услуг сотовой связи является живучесть в условиях ЧС -предоставление услуг связи при возникновении неисправностей, сбоях и перегрузках системы, возможность восстановления в случае отказа сети за максимально короткие сроки [2].
При проектировании и построении GSM сетей очень важно рассчитать зоны покрытия пересекающихся сот либо имеющих возможность пересекаться. Размещение базовых станций (БС) осуществляется с расчётом на максимальное значение распространения полезного сигнала. Для организации гарантированной сети связи в условиях ЧС ко всем сотам близлежащих БС прописываются соседства, достижимых при пересечении границ зоны покрытия [3]. Прописка БС осуществляется вручную, поэтому требуется заранее задать возможные соседства, в противном случае при возникновении необходимости увеличения мощности сигнала в отдельных сотах при ЧС на это может быть затрачено недопустимо длительное время, что в условиях ЧС может повлечь за собой необратимые последствия.
Для организации мобильной связи РОРС GSM нужны сети операторов сотовой связи, многие из которых используют технологии мобильной связи третьего поколения 3G (third generation), осуществляющие пакетную передачу данных со скоростью до 3,6 Мбит/с в дециметровом диапазоне. Используются 5 стандартов 3G семейства IMT-2000 (UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/ TD-SCDMA, DECT и UWC-136), но наиболее распространены два стандарта: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000 (IMT-MC), основанные на технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов - CDMA (Code Division Multiple Access) [4].
Одним из основных преимуществ CDMA, по сравнению с технологией второго поколения 2G (second generation; многостанционный доступ с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access)), является реализация иного принципа эстафетной передачи мобильной станции базовыми - мягкого хэндовера (soft handover), обеспечивающего меньшую вероятность потери связи в процессе движения мобильного объекта. При CDMA в пределах зоны, в которой существует проблема эстафетной передачи данных (гипотетическая зона эстафетной передачи), мобильная станция одновременно устанавливает соединение с двумя или более БС на одной несущей частоте, и момент эстафетной передачи определяется (в отличие от жесткой процедуры хэндовера (hard handover) при TDMA) без задержек в передаче и обрывов соединения.
Решение об эстафетной передаче принимает контроллер радиосети на основании результатов измерений уровней полезного сигнала, получаемых от мобильной станции и базовой станции. Выбор сот - кандидатов на хэндовер - состоит в сравнении результатов измерений с набором параметров и пороговых значений, устанавливаемых для различных пар соседних сот.
Речевые пакеты нельзя повторить, поэтому при их потере (искажение) на приемной стороне возникает короткая пауза в речи. Частые потери речевых пакетов, вызванные плохим качеством каналов связи и перегрузками в сети, приводят к ухудшению разборчивости речи, а иногда и к полной невозможности общения [3]. Представляется актуальной задача определения размеров зоны эстафетной передачи данных, решение которой предполагает определение зависимости качества пакетной передачи от расстояния между мобильной и базовой станциями (т. е. от дальности уверенной радиосвязи в условиях ЧС).
Дальность уверенной радиосвязи в диапазоне 2,4 ГГц. Задача определения дальности радиосвязи при использовании пакетной передачи данных в диапазоне 2,4 ГГц рассматривалась и ранее с использованием результатов натурных испытаний [5]. Результаты этих работ характеризуют большое среднеквадратическое отклонение значений мощности сигнала при одном и том же значении дальности, поскольку измерения проводились при существенном проявлении эффекта многолучевого распространения, присущих натурным испытаниям.
Например, в публикации [5], посвящённой зависимости мощности излучения передатчика от мощности его энергопотребления, приведена зависимость оптимальной мощности излучения от дальности уверенной радиосвязи (рис. 1).
Кривая на рисунке 1 построена для фиксированной мощности передачи 20 дБм (100 мВт). Отмечается, что при небольших значениях дальности
LQ
<
о
Дальность связи м
Рисунок 1. Зависимость оптимальной мощности излучения от дальности действия радиоканальных устройств
оптимальная мощность передачи составляет 0 дБм, что приводит к экономии в мощности излучения порядка 99 мВт.
Однако в работе [5] при определении оптимальной мощности излучения используют зависимость мощности принимаемого сигнала от дальности радиосвязи, полученную на основании результатов натурных испытаний. Для уменьшения влияния эффектов многолучевого распространения электромагнитной энергии радиоволн результаты усредняются по набору 10 показаний. Тем не менее полученные оценки мощности имеют значительную дисперсию.
Такие же недостатки, связанные с погрешностями натурных испытаний, присущи работам (рис. 2), выполненным в Московском государственном университете путей сообщения Императора Николая II (МИИТ), в которых приведены аналогичные зависимости искажения спектральной плотности мощности (СПМ) речевого сообщения и отношения «Сигнал/Шум» (ОСШ) от дальности
10 20 30 40 Дальность связи L, м
50
60
Рисунок 2. Зависимость отношения «Сигнал/Шум» от дальности связи
100 90 80
LQ
< 70
<
ии 60 н
ли50 в
ие 40
|з0
та
С5 20 10
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Дальность связи Ь, м
Рисунок 3. Зависимость ослабления радиосигнала (аппроксимированное значение) от расстояния в свободном пространстве: • - график зависимости; - аппроксимация зависимости
связи L для стандарта Radio Ethernet 802.11 -Wi-Fi (Wireless Fidelity).
В работе [6] представлена зависимость ослабления сигнала в свободном пространстве от расстояния (в пределах от 0 до 100 м) для диапазона 2 ГГц (рис. 3).
В соответствии с формулой (1) эту зависимость можно аппроксимировать:
А = 20,28 lg L + 39,25, дБ,
(1)
где A - затухание в линии, дБ; L - расстояние (дальность связи), м.
Таким образом можно связать полученные результаты по затуханию A, дБ, в идеализированной радиолинии с дальностью связи, L, м, используя формулу
Л-39,258
¿ = 10 20'28 . (2)
Результаты такой градуировки представлены в таблице 1.
Полученные результаты хорошо соотносятся со значениями, приведенными в технических характеристиках используемой радиокарты УАЯК0МАБХ-501 (табл. 2) [4]. Из данных таблицы 1 следует, что отличное качество связи (Кпр = 1 %) достигается по результатам исследований при увеличении дальности связи до 33 м.
Полученную зависимость дальности связи от затухания в радиолинии целесообразно использовать при значениях дальности от 180 м (хорошее качество, ОСШ = 12 дБ) до 230 м (начало блокирования приёмной радиокарты, ОСШ = 6 дБ) для определения размеров гипотетической зоны
Таблица 1
Результаты градуировки
Затухание, вносимое коаксиальной линией А, дБ Значения принимаемого качества К , % пр> Значения отношения «Сигнал/Шум», дБ Дальность связи L, м
0 1 40 0,012
70 1 40 32,80
80 3,5 29,12 102,09
81 4,5 26,94 114,36
82 6 24,44 128,11
83 10 20 143,52
84 15 16,48 160,77
85 25 12 180,10
86 30 10,46 201,76
87 50 6 226,02
88 100 0 253,19
0
Таблица 2
Технические характеристики радиокарты YARKONIABX-501
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 22.2.08-96. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Безопасность движения поездов. Термины и определения. - Москва: Госстандарт России, 1996. - 12 с.
2. Ромашкова О. Н, Дедова Е. В. Живучесть беспроводных сетей связи в условиях чрезвычайной ситуации // T-Comm -Телекоммуникации и Транспорт. - 2014. - № 6. - 40-43 с.
3. Горелов Г. В., Ромашкова О. Н., Чан Туань Ань. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях / под ред. Г. В.Горелова. - М.: Радио и связь, 2001. - 215 с.
4. Горелов Г. В., Маркачёв С. А, Попов И. Л., Самойлов В. Е. К определению зоны эстафетной передачи в сетях сотовой связи технологии многостанционного доступа с кодовым разделением // Проектирование и технология электронных средств. - 2015. - № 2. - 51-56 с.
5. Sheth A, Han R. An Implementation of Transmit Power Control in 802.11b Wireless Networks // Technical report CU-CS-934-02, Department of Computer Science, University of Colorado. - Colorado, Boulder, 2002, 21 p.
мягкого хэндовера (soft handover). Результаты исследований позволяют определить оптимальное размещение БС операторов сотовой связи стандарта GSM, учитывая вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций на транспорте. Наличие такой методики для ОАО «РЖД» является важным шагом к качественному и эффективному улучшению организации технологической связи и оперативного реагирования в условиях чрезвычайных ситуаций. Передача тревожных сообщений о ЧС по каналам мобильных сетей радиосвязи обеспечивает оперативное принятие безотлагательных мер по локализации и ликвидации последствий непосредственно на месте ЧС.
6. Елькин М. С. Расчёт дальности радиосвязи в здании // Системы безопасности. - 2010 - № 3. - С. 110-113.
7. Горелов Г. В., Бахтиярова Е. А, Карпов А. В. Вероятностные характеристики речевого трафика // Мир транспорта. -2007. - Т. 5, № 1 (17). - С. 22-25.
8. Горелов Г. В., Вин Хан, Житнов А. А. Мощность речевого сопровождения. Проверка расстоянием // Мир транспорта. - 2010. - Т. 8, № 3 (31). - С. 46-49.
9. Горелов Г. В., Фомин А. Ф, Волков А. А, Котов В. К., Ромашкова О. Н. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. Учебник. - М.: Транспорт, 2013. - 531 с.
10. Горелов Г. В., Ромашкова О. Н. Оценка качества обслуживания в сетях с пакетной передачей речи и данных // Вестник РУДН. Серия: Прикладная и компьютерная математика. -2003. - Т. 2, № 1. -С. 23-31.
Материал поступил в редакцию 09 декабря 2016 года.
Затухание, вносимое коаксиальной линией А, дБ Значения принимаемого качества К , % пр>
Скорость передачи 2 Мбит/с
Тип модуляции GFSK
Мощность передатчика 0 дБм
Коэффициент нелинейных искажений аудиовыхода приемника (на частоте 1 кГц) 1 %
Дальность связи для открытого пространства 50 м
Zykov V., Romashkova O., Popov I.
SAFE DEPLOYMENT OF MOBILE COMMUNICATION NETWORK BASE STATIONS. DATA HANDOFF ZONE DETERMINATION IN CELLULAR NETWORKS
IN EMERGENCY SITUATIONS
ABSTRACT
Purpose. The issues of relay data transfer (handover) in cellular network technology of multiple access with a temporary (TDMA) and code (CDMA) divisions for safe deployments of mobile network base stations are considered. The purpose of the given work is to develop techniques for secure deployment of base stations of cellular communication networks under conditions of possible emergencies. The object of the study is cellular networks of the third and fourth generations. The subject of the research is methods for the base stations of cellular communication networks safe deployment.
Methods. The paper considers the technologies of multiple access with a temporary (TDMA) and code (CDMA) channels division, methods to determine the radio communication range in emergencies are used. For soft handover, launched with CDMA, the concept of a hypothetical zone handoff is introduced, the method to define its size with consideration of the emergency situation is given.
Findings. The communication range dependence on the signal attenuation in the radio link is obtained for determining the size of the soft handover
hypothetical zone. The research results allow determining optimal deployment of base stations of cellular communication GSM standard operators to ensure a stable connection.
Research application field. Availability of the method for base stations secure deployment of cellular communication network for JSC "RZD" is an important step to quality and effective improvement of the technological communication organization and rapid response in emergency situations.
Conclusions. The obtained dependence on the communication range attenuation in the radio link is advisable when values range from 180 m to determine the hypothetical soft handover zone size. In perspective, the developed methodology is expected to be applied to other generations and a technology of cellular networks at transportation means to ensure a strong connection along the whole area covered by the radio signal.
Key words: relay data transmission, safety, stability, emergency, cellular networks.
REFERENCES
1. State standard 22.2.08-96. Safety in emergencies. Safety of railway transport movement. Terms and definitions. Moscow, Gosstandart Rossii Publ., 1996. 12 p. (in Russ.).
2. Romashkova O.N., Dedova E.V. The survivability of wireless networks in an emergency situation. T-Comm - Telekommunikatsii i Transport, 2014, no. 6, pp. 40-43. (in Russ.).
3. Gorelov G.V., Romashkova O.N., Chan Tuan An. Kachestvo upravleniia rechevym trafikom v telekommunikatsionnykh setiakh [Quality control for speech traffic in telecommunication networks]. Moscow, Radio i sviaz Publ., 2001. 215 p.
4. Gorelov G.V., Markachev S.A., Popov I.L., Samoilov V.E. The definition of the zone handoff in cellular network technology of multiple access with code division. Proektirovanie i tekhnologiia elektronnykh sredstv, 2015, no. 2, pp. 51-56. (in Russ.).
5. Sheth A., Han R. An Implementation of Transmit Power Control in 802.11b Wireless Networks // Technical report CU-CS-934-02, Department of Computer Science, University of Colorado. - Colorado, Boulder, 2002, 21 p.
6. Elkin M.S. The calculation of the radio range in the building. Sistemy bezopasnosti, 2010, no. 3, pp. 110-113. (in Russ.).
7. Gorelov G.V., Bahtiyarova Y.A., Karpov A.V. Probability Features of Speech Traffic. Mir transporta, 2007, vol. 5, no. 1 (17), pp. 22-25. (in Russ.).
8. Gorelov G.V., Vin Han, Zhitnov A.A. Capacity of Vocal Tracking: A Remote test. Mir transporta, 2010, vol. 8, no. 3 (31), pp. 46-49. (in Russ.).
9. Gorelov G.V., Fomin A.F., Volkov A.A., Kotov V.K., Romashkova O.N. Teoriya peredachi signalov na zheleznodorozhnom transporte [The theory of signal transmission in railway transport]. Moscow, Transport Publ., 2013. 531 p.
10. Gorelov G.V., Romashkova O.N. Evaluation of Vois and Data Transmission Quality in Packet Networks. Vestnik RUDN. Seriia: Prikladnaia i kompiuternaia matematika, 2003, vol. 2, no. 1, pp. 23-31.
Vladimir Zykov Oksana Romashkova ivan Popov
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Doctor of Technical Sciences, Professor Moscow City University, Moscow, Russia
Moscow State University of Railway Engineering, Moscow, Russia
