Основные функции базовой сети SAE

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

В перечне функциональных возможностей базовой сети SAE можно выделить несколько основных функций:

- управление доступом в сеть;

- маршрутизация и транспортировка пакетов данных;

- управление мобильностью абонентского терминала;

- обеспечение безопасности;

- управление радиоресурсами сети;

- управление сетью;

- выбор функциональных элементов сети;

- функции, связанные с использованием в сети IP-протокола.

Каждая из этих функций может включать в себя несколько частных функций.

1) Функция управления доступом в сеть. С помощью данной функции абонентский терминал присоединяется к базовой сети SAE. При этом выполняется ряд частных функций, представленных ниже.

а) Функция выбора сети/сети доступа дает возможность абонентскому терминалу выбирать сеть мобильной связи или сеть доступа, посредством которой будет осуществляться IP-соединение абонентского терминала с сервисными платформами (серверами приложений). Выбор сети/ сети доступа зависит, прежде всего, от используемых этими сетями технологий. Для сетей стандартов 3GPP принципы выбора сети определены в технической спецификации TS 23.122, принципы выбора сети доступа — в технических спецификациях TS 36.300, TS 43.022 и TS 25.304. Для сетей стандартов He-3GPP, базирующихся на IP-протоколе, принципы выбора сети/ сети доступа определены в технической спецификации TS 23.402.

б) Функция аутентификации и авторизации позволяет проверить подлинность абонента, определить доступность абоненту сетевых услуг в соответствии с его профилем и выполнить авторизацию мобильного терминала абонента, например, назначить IP-адрес, выделить сетевые ресурсы и активировать сетевую службу передачи данных (виртуальный сетевой канал — EPS Bearer).Функция аутентификации тесно связана с функцией управления мобильностью абонента.

в) Функция контроля доступа требуется для определения доступности запрашиваемых ресурсов сети и резервирования этих ресурсов согласно поступившему запросу в целях дальнейшего использования.

г) Функция применения сетевых политик и правил тарификации (PCEF) обеспечивает управление предоставлением услуг абоненту в соответствии стребуемым качеством услуг и тарификацию в соответствии с правилами, полученными от функции PCRF биллинговой системы. Согласно спецификации TS 23.203 функция PCEF решает следующие основные задачи:

- обнаружение и регистрация потоков пакетов данных пользователей; при регистрации потоки пакетов данных пользователей отождествляются с IP-адресами и портами источника и получателя, с требуемым качеством обслуживания в соответствие с идентификаторами протокола IP (идентификатором Type of Service протокола IPv4 и идентификатором Traffic Class протокола IPv6);

- измерение объема и параметров передачи (скорости, задержки передачи) пакетов данных;

- управление качеством передачи данных;

- применение правил тарификации в реальном масштабе времени с учетом качества передачи данных.

д) Функция законного перехвата сообщений абонентов позволяет предоставить уполномоченным государственным организациям доступ к частной информации (например, к телефонным разговорам, передаваемым данным, сообщениям SMS, MMS и сообщениям электронной почты). Данная функция реализуется как оператором сети LTE, так и провайдерами сети доступа, провайдерами услуг. Согласно российскому законодательству данная функция является функцией системы обеспечения оперативно-розыскных мероприятий (СОРМ).

2) Функция маршрутизации и транспортировки пакетов данных. С помощью функции маршрутизации осуществляется определение маршрута передачи и транспортировка пакетов данных как внутри одной сети мобильной связи, так и между несколькими сетями. Маршрут транспортировки пакетов данных устанавливается на основе таблиц маршрутизации и представляет собой перечень сетевых узлов: исходящий узел, промежуточные узлы и узел назначения. Сеть SAE базируется на IP-протоколе и вследствие этого использует стандартные механизмы маршрутизации и транспортировки данных IP-сетей.

При выполнении функции маршрутизации и транспортировки пакетов данных реализуется ряд частных функций.

а) Функция сжатия IP-заголовка предназначена для оптимизации использования пропускной способности и ресурсов сети радиодоступа, за счет уменьшения объема передаваемых служебных данных путем применения специальных механизмов сжатия IP-заголовка.

б) Функция проверки (сканирования) пакетов данных позволяет сети выполнять проверку типа IP-адреса, используемого мобильным терминалом: адреса типа IPv4, либо адреса типа IPv4 с префиксом адреса IPv6 (например,:: ffff: IPv4), либо адреса типа IPv6.

3) Функция обеспечения безопасности. При выполнении функции обеспечения безопасности в сети LTE решаются следующие основные задачи:

- защита от несанкционированного использования услуг сети LTE с помощью аутентификации пользователя и подтверждения возможности оказания запрошенной услуги;

- обеспечение конфиденциальности аутентификации абонента с помощью использования временных идентификаторов и ключей шифрования;

- обеспечение конфиденциальности абонентских данных с помощью шифрования;

- обеспечение аутентификации данных, передаваемых в сообщениях сигнализации;

- обеспечение аутентификации сети мобильным терминалом;

- идентификация мобильного терминала.

Рассмотрим подробнее последнюю процедуру.

Идентификация мобильного терминалавыполняется модулем управления мобильностью ММЕ, и/или домашним сервером абонентских данных HSS, и/или пакетным шлюзом P-GW с помощью регистра идентификации EIR (Equipment Identity Register) и предназначена для проверки подлинности используемого оборудования мобильного терминала. Проверка подлинности мобильного терминала позволяет исключить использование в сети украденных либо дефектных мобильных терминалов. Идентификация мобильного терминала инициируется модулем ММЕ путем передачи международного идентификатора мобильного терминала IMEI регистру идентификации EIR для последующей проверки подлинности терминала, а затем анализа ответа регистра EIR для выполнения соответствующего действия (например, передачи команды «режекция присоединения», если регистр EIR определил, что мобильный терминал находится в «черном списке»).

Процедура проверки подлинности мобильного терминала UE (User Equipment), показана на рисунке 1.4. Отметим особенность идентификации мобильного терминала в условиях роуминга. Идентификация мобильного терминала выполняется регистром EIR домашней сети в случаях, когда визитная сеть получает от мобильного терминала запрос на присоединение Initial Attach (за исключением случая, когда запрос Initial Attach связан с выполнением процедуры хэндовера), а также в случае реализации процедуры обновления данных о зоне местоположения мобильного терминала TAU (Tracking Area Update) в сети E-UTRAN, если до этого мобильный терминал находился в сети UTRAN/GERAN и обслуживающий его ранее узел SGSN не предоставил данные об идентификации мобильного терминала.

Рисунок 1.4 – Процедура проверки подлинности мобильного терминала

4) Функция управления мобильностью. С помощью данной функции обеспечивается отслеживание расположения мобильного терминала в сети UTRAN с точностью до одной зоны местоположения терминала TA либо группы зон местоположения в соответствии с перечнем зон местоположения TAL. Функция включает в себя несколько частных функций.

а) Функция управления мобильностью терминала в режиме ECM-IDLE. Режим ECM-IDLE характеризуется отсутствием активного соединения мобильного терминала с сетью LTE, при котором обеспечивается передача пакетов данных пользователя. В данном режиме расположение мобильного терминала в сети E-UTRAN известно модулю ММЕ с точностью до группы зон местоположения согласно TAL.

б) Функция управления перечнем зон (треков) местоположения мобильного терминала в сети E-UTRAN позволяет базовой сети SAE запоминать и актуализировать не одну зону местоположения мобильного терминала ТА, а группу зон местоположения в зависимости от накопленной статистики перемещения абонента, что, в конечном счете, позволяет уменьшить частоту выполнения процедуры обновления данных о местоположении TAU.

в) Функция управления хэндовером в сети E-UTRAN позволяет обеспечить непрерывность IP-сессии пользователя при перемещении мобильного терминала между базовыми станциями eNB. Управление хэндовером осуществляется сетевым элементом ММЕ, являющимся функциональным модулем привязки внутрисетевой мобильности.

г) Функция управления межсетевым хэндовером в сетях 3GPP позволяет обеспечить непрерывность IP-сессии пользователя при перемещении мобильного терминала между сетями 3GPP. Управление межсетевым хэндовером осуществляется сетевым элементом ММЕ, являющимся функциональным модулем «привязки» межсетевой мобильности.

д) Функция уменьшения трафика сигнализации ISR мобильного терминала в режиме ECM-IDLE применительно к сети E-UTRAN и в режиме GPRS STANDBY применительно к сети GERAN/UMTS позволяет уменьшить объем служебных сообщений при обеспечении дискретной мобильности терминала («перевыборе» соты) между сетями E-UTRAN и GERAN/UTRAN одного оператора. Уменьшение объема служебных сообщений при перевыборе сот со сменой технологии доступа достигается за счет регистрации мобильного терминала одновременно в узлах ММЕ и SGSN, взаимодействующих с обслуживающим шлюзом S-GW. Это позволяет осуществлять перевыбор сот без выполнения процедуры TAU и процедуры обновления данных о зоне маршрутизации RAU (Routing Area Update) в сети GERAN/UTRAN.

Функция ISR активируется и деактивируется на основе решений модулей и узлов, входящих в базовую сеть SAE. Эти решения передаются абонентскому терминалу в виде соответствующих команд.

е) Функция ограничения мобильности позволяет ограничить мобильность терминала и выполняется следующими элементами сети LTE: мобильным терминалом, сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью SAE. Ограничение мобильности абонентского терминала, находящегося в режиме ECM-IDLE, реализуется мобильным терминалом на основе информации, получаемой от базовой сети SAE. Ограничение мобильности абонентского терминала, находящегося в режиме ECM-CONNECTED, выполняется сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью SAE на основе перечня ограничений хэндовера HRL.

ж) Функция индикации поддержки мультимедийных речевых услуг подсистемы IMS выполняется сетью мобильной связи и позволяет передавать мобильному терминалу идентификатор поддержки пакетной передачи речи спомощью подсистемы IMS. Данный идентификатор передается в процессевыполнения процедуры присоединения мобильного терминала к сети LTE либо в процессе выполнения процедуры TAU. Обслуживающая сеть LTE предоставляет эту индикацию на основе сетевых политик, а также поддерживаемой схемы организации голосовых вызовов.

5) Функция управления радиоресурсами сети. Функция управления радио-ресурсами связана с распределением ресурсов сети E-UTRAN между мобильными терминалами. Стратегия сети E-UTRAN по управлению радиоресурсами основывается на информации о конкретных типах абонентов, мобильных терминалов и приложений.

Для поддержки управления радиоресурсами в сети E-UTRAN модуль ММЕ обеспечивает передачу базовой станции eNB через интерфейс S1 параметра RFSP (RAT/Frequency Selection Priority), определяющего приоритет выбора радиотехнологии и приоритет выбора частоты. Параметр RFSP используется базовой станцией для реализации стратегии сети по управлению радиоресурсами. Значение параметра является индивидуальным для абонентского терминала и используется всеми службами обмена данными сети радиодоступа E-UTRAN в следующих случаях:

- для перевыбора соты мобильными терминалами в режиме IDLE в соответствии с установленным приоритетом;

- для принятия решения по переводу мобильных терминалов, находящихся в активном режиме, на другие частотные каналы или другие технологии радиодоступа.

6) Функция управления сетью. Эта функция выполняется системой поддержки эксплуатации сети (ОАМ& Р) и включает в себя несколько частных функций.

а) Функция распределения нагрузки между модулями ММЕ обеспечивает возможность перенаправлять управление абонентским терминалом с одного модуля ММЕ на другой для распределения нагрузки между модулями. Это достигается установкой такого весового коэффициента распределения нагрузки для каждого модуля ММЕ, при котором вероятность выбора модулем ММЕ базовой станции пропорциональна этому коэффициенту. Весовой коэффициент устанавливается с учетом производительности модулей ММЕ и передается базовой станции путем обмена служебными сообщениями с ММЕ посредством интерфейса S1 (согласно технической спецификации TS 36.413). Если в сети используется шлюз поддержки персональных (домашних) базовых станций HeNB GW, то весовой коэффициент передается от модуля ММЕ к этому шлюзу.

б) Функция перераспределения нагрузки между модулями ММЕ обеспечивает возможность передавать обслуживание мобильного терминала от одного ММЕ другому в процессе обслуживания.

в) Функция управления перегрузками в модуле ММЕ определяет механизмы, позволяющие избегать возникновения перегрузок в сети. Эти механизмы в соответствии с техническими спецификациями TS 36.300 и TS 36.413 используют сообщения протоколов уровня NAS (Non-Access Stratum) для отклонения запросов предоставления ресурсов, поступающих от мобильных терминалов.

Устранение перегрузки сети достигается с помощью сообщений OVERLOAD START, передаваемых модулем ММЕ базовым станциям. С помощью сообщений OVERLOAD START модуль ММЕ может посылать на базовую станцию следующие команды:

- отказать в установлении RRC-соединений мобильным терминалам, запрашивающим ресурсы сети (за исключением мобильных терминалов, запрашивающих ресурсы сети для вызова экстренных служб);

- отказать в установлении RRC-соединений мобильным терминалам, запрашивающим ресурсы сети для выполнения процедур поддержки мобильности.

7) Функция выбора узлов сети. Эта функция включает в себя следующие частные функции: функцию выбора шлюза P-GW; функцию выбора обслуживающего шлюза S-GW; функцию выбора модуля ММЕ; функцию выбора сетевого узла SGSN и функцию выбора функционального элемента PCRF (Policy and Charging Rules Function).

8) Функция сети SAE, связанная с использованием IP-протокола. Эта функция включает в себя следующие частные функции.

а) Функция доменных имен DNS описана в спецификации RFC 1034, она позволяет устанавливать соответствие между логическим именем шлюза P-GW и его IP-адресом.

б) Функция динамической конфигурации хоста DHCP позволяет выделять мобильным терминалам динамические IP-адреса. Возможности данной функции детально изложены в спецификациях RFC 2131, RFC 3736, RFC 3633 и RFC 4039.

Радиотехнология OFDM

Основной целью использования технологии OFDM является устранение влияния помех, вызванных многолучёвым распространением сигнала. LTE использует OFDM для формирования нисходящего канала, т.е. канала от базовой станции к мобильному устройству. OFDM отвечает требованиям LTE к спектральной гибкости и позволяет создавать эффективные по затратам решения для широкополосных несущих с высокими пиковыми скоростями передачи данных. Это хорошо проработанная технология, о чем свидетельствует целый спектр стандартов, таких, как IEEE 802.11a/b/g. 802.16, HIPERLAN-2, DVB и DAB.

OFDM использует большое количество узкополосных поднесущих для обеспечения передачи. Базовый нисходящий канал LTE на физическом уровне можно рассматривать, как частотно-временную решетку. В частотной области, промежутки между поднесущими, дельта f, составляют 15 кГц. Кроме того, продолжительность " символа" OFDM составляет 1/дельта f + префикс цикличности. Префикс цикличности используется для обеспечения ортогональности между поднесущими даже в условиях радиоканала с дисперсией по времени.

Один ресурсный элемент формируется модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM или 64QAM. В случае если используется модуляция 64QAM, каждый ресурсный элемент обеспечивает передачу 6 бит информации.

Символы OFDM сгруппированы в ресурсные блоки. Ресурсные блоки имеют размер в 180 кГц в частотном измерении и 0.5 мс во временном измерении. Каждый временной интервал передачи TTI (Transmission Time Interval) состоит из двух слотов.

Каждому пользователю присваивается некоторое количество так называемых ресурсных блоков в частотно-временной решетке. Чем больше ресурсных блоков назначается пользователю, и чем более высокая степень модуляции используется в формировании ресурсных элементов, тем более высокий обеспечивается бит-рейт.

Какие ресурсные блоки будут назначены, и сколько их получит пользователь в данный момент времени, зависит от усовершенствованного механизма составления частотно-временного расписания. Механизм составления расписания, используемый в LTE, похож на тот, что применяется в HSPA (High-Speed Packet Access) и обеспечивает оптимальное функционирование различных услуг в различных условиях.

В восходящем канале, LTE использует пре-кодированную версию OFDM под названием SC-FDMA. Это предпринято для того, чтобы компенсировать расходы на OFDM, который отличается очень высоким отношением пиковой мощности к средней мощности радиосигнала PARP. Реализация высоких значений PARP требуют использования дорогих и неэффективных усилителей мощности, предъявляющих высокие требования к линейности, что сказывается на росте стоимости терминалов и быстроте разряда батарей.

SC-FDMA позволяет решить проблему за счет объединения ресурсных блоков таким образом, что сокращаются требования к линейности, а также к потребляемой мощности усилителя. Низкие значения PARP кроме того улучшают покрытие и производительность соты.

Применение антенн MIMO

Дальнейшее повышение пропускной способности и качества услуг в сетях LTE связано с технологией MIMO (Multiple Input Multiple Output). Технология MIMO позволяет уменьшить число ошибок при радиообмене данными без снижения скорости передачи в условиях множественных переотражений сигналов. При этом многоэлементные антенные системы обеспечивают:

- расширение зоны покрытия радиосигналами и сглаживание в ней «мертвых» зон;

- использование нескольких путей распространения сигнала, что повышает вероятность работы по трассам, на которых меньше проблем с замираниями, переотражениями и т.п.;

- увеличение пропускной способности каналов связи за счет формирования систем обработки сигналов, основанных на физически различных принципах (пространственное разнесение сигналов, кодовое разнесение с помощью ортогональных кодов, частот, поляризационное разнесение).

Простейшая антенная система MIMO — это система из двух несимметричных вибраторов (монополей), ориентированных, например, под углом ±45° относительно вертикальной оси. Такой угол поляризации ставит оба канала в равные условия, поскольку при горизонтально-вертикальной ориентации излучателей одна из поляризационных составляющих неизбежно получила бы большее затухание при распространении вдоль земной поверхности. Сигналы, излучаемые независимо каждым монополем, поляризованы взаимно ортогонально с достаточно высокой взаимной развязкой по кросс-поляризационной составляющей (не менее 20 дБ). Аналогичная антенная система используется и на приемной стороне. Этот подход позволяет одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, модулированными различным образом. Принцип поляризационного разделения обеспечивает удвоение пропускной способности линии радиосвязи по сравнению со случаем одиночного монополя (в идеальных условиях прямой видимости при идентичной ориентации приемных и передающих антенн).

Преимущества от использования MIMO:

- улучшается работа нисходящих линий связи, что проявляется в виде более стабильной и более надежной передачи данных в условиях сильного рассеивания радиоволн. Для восходящих линий связи улучшений нет.

- увеличивается пропускная способность MIMO за счет возможности использования схем модуляции более высокого уровня при одновременной передаче нескольких независимых потоков, что дает рост пропускной способности примерно на 30% по отношению к системам обычной сотовой связи.

- увеличивается стабильность рабочих характеристик MIMO систем, особенно при перемещениях абонента.

Недостатки:

- ухудшаются качественные характеристики в случае отсутствия переотражений, например, в районах неплотной застройки, вдоль автомагистралей, рядом с рекой и т.п.

2 Проектирование сети LTE на примере г. Самары

Существуют два основных варианта планирования сетей: с целью формирования максимальной площади покрытия или с целью обеспечения требуемой емкости. Эти задачи порой противоречат друг другу. Например, в городских условиях при высокой плотности абонентов зоны обслуживания базовых станций (БС) по площади гораздо меньше максимально возможной, но оптимизированы по пропускной способности. В сельской местности зачастую ситуация – противоположная, плотность абонентов - невысокая, и базовые станции устанавливаются на максимальном удалении друг от друга

так, чтобы закрыть каждой БС максимальную территорию. Но и в том и другом случае оценивают как радиопокрытие, так и емкость сети для того, чтобы выявить в проекте сети факторы, ограничивающие ее характеристики.

Анализ радиопокрытия начинают с вычисления энергетического бюджета, или максимально допустимых потерь на линии (МДП). Принцип расчета иллюстрируется на Рис. 2.1, МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника сопряженной стороны, при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается нормальная демодуляция сигнала в приемнике.

Рисунок 2.1 – Принцип расчета энергетического бюджета

Рассмотрим примеры расчета энергетического бюджета для систем LTE c частотным и временным дуплексом, работающих в диапазоне 2600 МГц [2]. Причем для системы с временным дуплексом рассмотрим два варианта конфигураций кадра 1 и 2, формат специального субкадра – 7. Системная полоса для всех систем рассматривается равной 20 МГц, т.е. в случае FDD системная полоса будет разделяться на два канала по 10 МГц для линии вверх (UL) и линии вниз (DL), а в случае TDD вся полоса 20 МГц будет использоваться как на UL, так и на DL.

Рассмотрим БС, РЧ - блок (радиочастотный блок) каждого сектора которой оснащен двумя приемопередатчиками, выходная мощность передатчиков 20Вт (43 дБ). РЧ - блок устанавливается в непосредственной близости от антенны. Базовая станция работает на линии вниз в режиме MIMO 2x2 с использованием кросс-поляризованной антенны. Поскольку энергетический бюджет рассчитывается для абонентской станции (АС) на краю соты, т.е. принимающей сигналы от БС с низким отношением сигнал/шум (ОСШ), то БС передает сигналы на эту АС в режиме разнесенной передачи. За счет сложения мощностей сигналов двух передатчиков в пространстве можно получить энергетический выигрыш (3 дБ). В качестве АС рассматриваем USB-модем, класс 3 – ЭИИМ 23 дБ [3].

Результаты расчета энергетического бюджета сведены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Энергетический бюджет для условий средней городской застройки

Обозначения	Параметр	FDD 10+10 МГц	TDD 20 МГц (конф. кадра 1)	TDD 20 МГц (конф. кадра 2)
		DL	UL	DL	UL	DL	UL
	Антенная система	2х2	1х2	2х2	1х2	2х2	1х2
	Соотношение длительности кадров DL/UL	100%	100%	54%	42%	74%	23%
Передатчик

Продолжение таблицы 2.1

Обозначения	Параметр	FDD 10+10 МГц	TDD 20 МГц (конф. кадра 1)	TDD 20 МГц (конф. кадра 2)
P_Tx	Выходная мощность передатчика, дБм	43.0	23.0	43.0	23.0	43.0	23.0
G_TxDiv	Выигрыш от сложения мощности передатчиков, дБ	3.0	-	3.0	-	3.0	-
G_TxA	Коэффициент усиления антенны, дБи	18.0	0.0	18.0	0.0	18.0	0.0
L_TxF	Потери в фидерном тракте, дБ	0.4	-	4.0	-	4.0	-
P_EIBR	ЭИИМ, дБм P_EIBR=P_Tx+G_TxDiv+G_TxA-L_TxF	63.6	23.0	63.6	23.0	63.6	23.0
Приемник
	Скорость передачи данных на краю соты, кбит/с
N_PRB	Число ресурсных блоков
	Схема модуляции и Кодирования	6-QPSK	5-QPSK	6-QPSK	6-QPSK	5-QPSK	1-QPSK
	Эффективная скорость Кодирования	0.45	0.28	0.46	0.38	0.38	0.14
P_N	Мощность теплового шума, дБм	-104.4	-118.4	-101.4	-115.4	-101.4	-108.4
M_SNR	Требуемое ОСШ, дБ	-0.24	0.61	-0.23	0.01	0.03	-4.35
L_N	Коэффициент шума приемника, дБ	7.0	2.5	7.0	2.5	7.0	2.5
S_Rx	Чувствительность приемника, дБм S_Rx₌P_N₊M_SNR₊L_N	-97.6	-115.3	-94.6	-112.8	-94.3	-110.2
G_RxA	Коэффициент усиления антенны, дБи	0.0	18.0	0.0	18.0	0.0	18.0
L_RxF	Потери в фидерном тракте, дБ	-	0.4	-	0.4	-	0.4
Прочие запасы/выигрыши
M_Int	Запас на помехи, дБ	8.51	3.8	8.53	3.8	10.65	3.8
M_Build	Запас на проникновение в помещение, дБ	17.0	17.0	17.0
M_Shade	Запас на затенение, дБ	8.7	8.7	8.7

Продолжение таблицы 2.1

Обозначения	Параметр	FDD 10+10 МГц	TDD 20 МГц (конф. кадра 1)	TDD 20 МГц (конф. кадра 2)
G_HO	Выигрыш от хэндовера, дБ	2.5	2.5	2.5
Максимально допустимые потери L_MAPL₌P_EIBR - S_Rx+G_RxA - L_RxF - M_Build - M_Int - M_Shade+G_HO
L_MAPL	МДП, дБ	129.5	128.9	126.5	126.5	124.2	123.9
Радиус соты в условиях средней городской застройки
D	Радиус соты, км	0.53	0.45	0.38
S_BS	Площадь покрытия трехсекторного сайта, кв. км, S_BS₌3 ²	0.54	0.40	0.28

Для расчета энергетического бюджета использовалась модель распространения радиоволн для городской макросети COST231 Hata из 3GPP TS 25.996 v9.0.0.

Это выражение можно привести к виду:

, (1)

где L_p - потери на распространение радиоволн в канале, дБ;

, дБ;

f - частота, МГц;

H_b - высота антенны базовой станции, м;

H_m - высота антенны подвижной станции, м;

d - дальность связи, км;

K_c - поправочный коэффициент потерь, дБ, зависящий от типа застройки.

Из выражения (1) можно получить зависимость дальности связи d от потерь на распространение радиоволн L_p:

d=10

где L_p принимаем равным L_MAPL; K₁=141, 6 дБ, K₂=35, 2 дБ при f=2600 МГц, H_m=1, 5 м, H_b=30м; K_c принимают ‐ 3 дБ в условиях средней городской застройки.

На основании выше приведенных расчетов составим табл. 2.2

Таблица 2.2 – Расчет радиуса сот в разных типах застройки

Параметр	FDD 10+10 МГц	TDD 20 МГц (конф. кадра 1)	TDD 20 МГц (конф. кадра 2)
L_p, дБ	128.9	126.5	123.9
K₁, дБ	141.6
K₂, дБ	35.2
K_c, дБ	-3
d, км	0.53	0.45	0.38

Энергетический бюджет в значительной степени зависит от соотношения длительности кадров на UL и DL. Если в системе FDD конфигурация кадров одинакова для линий вверх и вниз: кадр включает в себя 10 субкадров по 1 мс, то в системе TDD используется ассиметричная структура кадра для линий вверх и вниз[4].

На Рис.2.2 изображено 7 конфигураций кадра в системе TDD² (пронумерованы по вертикали), состоящего также из 10 субкадров по 1 мс (субкадры пронумерованы по горизонтали). Буквой «S» обозначены специальные субкадры, включающие 3 поля, см. Рис.2.3: DwPTS – поле для передачи управляющей информации и пользовательских данных на линии вниз; GP – защитный интервал для переключения с линии вниз на линию вверх; UpPTS – поле для передачи на линии вверх управляющей информации, в основном канала доступа. Обратите внимание, что специальный субкадр позволяет переносить пользовательскую информацию только на линии вниз.

DL	S	UL	UL	UL	DL	S	UL	UL	UL
DL	S	UL	UL	DL	DL	S	UL	UL	DL
DL	S	UL	DL	DL	DL	S	UL	DL	DL
DL	S	UL	UL	UL	DL	DL	DL	DL	DL
DL	S	UL	UL	DL	DL	DL	DL	DL	DL
DL	S	UL	DL	DL	DL	DL	DL	DL	DL
DL	S	UL	UL	UL	DL	S	UL	UL	DL

Рисунок 2.2 – Конфигурации кадров в системе TDD

В рассматриваемых примерах системы TDD используется специальный субкадр формата 7 с длительностью полей: DwPTS – 10 символов OFDM, GP – 2 символа OFDM, – 2 символа OFDM.

Рисунок 2.3 – Структура специального субкадра

В системах с адаптивными схемами MCS дальность связи зависит от гарантируемой скорости передачи данных для пользователя на краю соты. В указанных примерах на линии вверх для пользователя на краю соты гарантируется скорость 128 кбит/с. В зависимости от типа дуплекса и соотношения длительностей кадра UL/DL, для переноса этого потока данных, требуется выделить разное количество ресурсных блоков (1 ресурсный блок = 180кГц * 1 мс). Выбор оптимального числа ресурсных блоков N_PRBи схемы MCS осуществляются по результатам моделирования канального уровня, исходя из заданного качества услуг с минимизацией ОСШ M_SNR. Указанные в табл. 2.1 значения M_SNR получены для модели канала «Enhanced Pedestrian A 5» [5].

Запас на помехи M_Intопределяется по результатам моделирования системного уровня в зависимости от нагрузки в соседних сотах. Указанные в табл. 2.1 значения M_Int соответствуют нагрузке в соседних сотах 90%.

Для того чтобы обеспечить связь в помещении, необходимо добавить в

энергетический бюджет запас на проникновение радиоволн в помещение M_Int. Для диапазона 2600 МГц могут использоваться следующие типовые значения запаса на проникновение:

- 22 дБ в условиях плотной городской застройки;

- 17 дБ в условиях средней городской застройки;

- 12 дБ в условиях редкой застройки (в пригороде);

- 8 дБ в сельской местности (на открытой местности в автомобиле).

Поскольку зоны радиопокрытия соседних сот, как правило, перекрываются, то при возникновении глубоких замираний в обслуживающей соте АС может осуществить хэндовер в соту с лучшими характеристиками приема. Этот эффект можно интерпретировать как выигрыш от хэндовера G_HO_.

Из двух значений МДП, полученных для UL и DL, выбирают минимальное, по которому производят дальнейший расчет радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх.

Обратите внимание, что в табл. 2.1 максимально допустимые потери на линиях вверх и вниз примерно одинаковые, с разницей меньше 1 дБ. В этих примерах скорости передачи на линии вверх были зафиксированы, а на линии вниз для каждого случая скорость подбиралась так, чтобы сбалансировать максимально допустимые потери для обеих линий.

В табл. 2.1 указаны радиусы сот для ограничивающей линии с наименьшим МДП, для линии вверх, в условиях средней городской застройки. Для расчета дальности связи в данном случае используется модель распространения радиоволн COST231-Hata, высота подвеса антенн БС принята равной 30 м.

Наилучшим радиопокрытием при одной и той же гарантированной скорости передачи данных на линии вверх обладает система FDD. Для того, чтобы передать один и тот же поток данных в трех рассмотренных системах, на линии вверх приходится выделять разное количество частотных ресурсов (в обратной зависимости от длительности кадра), поскольку длительности кадров на линии вверх различаются: 10 мс – в случае FDD; 4 мс – в случае TDD, конф.1; 2 мс – в случае TDD, конф.2. Но чем больше частотных ресурсов выделяется пользователю, тем выше мощность тепловых шумов во

входных цепях приемника, и хуже его чувствительность [6, 7].

Однако в рассмотренных случаях в системе TDD можно гарантировать более высокую пропускную способность на линии вниз по сравнению с системой FDD, благодаря асимметрии кадров DL и UL, см. табл.2.1.

Оценка емкости

Емкость, или пропускную способность, сети оценивают, базируясь на средних значениях спектральной эффективности соты в определенных условиях. В табл. 2.2 приведены значения средней спектральной эффективности соты LTE FDD в макросети для двух случаев, специфицированных 3GPP как сценарий 1 (расстояние между сайтами 500 м), и сценарий 3 (расстояние между сайтами 1732 м). В обоих случаях характеристики оценивались для диапазона 2 ГГц, полосы канала 10 МГц (10+10 МГц в дуплексе), при потерях на проникновение в здание 20 дБ, в среднем при 10 активных пользователях в соте.

Таблица 2.3 – Средняя спектральная эффективность в макросети

Линия	Схема MIMO	Средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц)
Сценарий 1	Сценарий 3
UL	1 х 2	0, 735	0, 681

Продолжение таблицы 2.3

Линия	Схема MIMO	Средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц)
Сценарий 1	Сценарий 3
	1 х 4	1, 103	1, 038
DL	2 х 2	1, 69	1, 56
4 х 2	1, 87	1, 85
4 х 4	2, 67	2, 41

Приведем пример расчета пропускной способности для сетей 3 конфигураций, рассмотренных в предыдущем разделе, причем пользоваться будем значениями спектральной эффективности для сценария 1 (расстояние между сайтами 500 м), как наиболее близкого по размерам сот, полученным в предыдущем разделе.

Для системы FDD средняя пропускная способность соты может быть получена путем прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность.

Для системы TDD можно принять спектральную эффективность равной

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒