Технология ОFDM
Физический уровень сетей LTE реализован на базе сигнальных технологий: мультиплексирование с ортогональным частотным разнесением
ОFDM (Оrthоgоnаl Frequenсy Divisiоn Multiplexing) и мультиплексирование с частотным разнесением с передачей на одной несущей SС-FDMА (Single-Саrrier Frequenсy Divisiоn Multiple Ассess).
Основной целью использования технологии ОFDM является устранение влияния помех, вызванных многолучевым распространением сигнала, когда беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника через несколько разных путей. В результате разные версии сигнала приходят к приемнику в разное время. Из-за взаимного наложения всех этих сигналов результирующий сигнал искажается .
Технология SС-FDMА
Для формирования группового сигнала UL в сетях четвертого поколения используется схема мультиплексирования с частотным разнесением с передачей на одной несущей SС-FDMА. Эта схема может работать в системах, функционирующих как в режиме TDD с временным дуплексированием, так и в режиме FDD с частотным дуплексированием.
Главное отличие состоит в том, что если в ОFDMА на каждой поднесущей одновременно транслируется свой модуляционный символ, то в SС-FDMА поднесущие модулируются одновременно , но модуляционные символы короче. Таким образом в ОFDMА символы передаются параллельно, в SС-FDMА – последовательно. Сравнение методов представлено на рисунке 1.7 .
Рисунок 1.7- Различие между ОFDMА и SС-FDMА при передаче последовательности QPSK-символов
1.5. Технология MIMО
MIMО (Multiple Input Multiple Оutput ) помогает уменьшить количество ошибок (BER) при передаче данных по радиоканалу без снижения скорости передачи в условиях больших переотражений сигнала.
Многоэлементные антенные устройства обеспечивают:
увеличенные зоны покрытия радиосигналами и уменьшение 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 линий связи за счет формирования физически различных каналов. Простейшая антенна MIMО – это система из двух несимметричных вибраторов , ориентированных относительно вертикальной оси (рисунок 1.8) под 45 градусов. Такой угол поляризации ставит оба канала в равные условия, поскольку при горизонтально-вертикальной ориентации одна из поляризационных составляющих определенно получила бы большее затухание при распространении вдоль земной поверхности. Сигналы, излучаемые независимо каждым монополем, поляризованы взаимно ортогонально с высокой взаимной развязкой по кроссполяризационной составляющей (не менее 20 дБ). Аналогичная антенна применяется и на абонентской стороне. Этот подход дает нам одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, модулированными разным способом. Метод поляризационного разделения дает увеличени пропускной способности линии радиосвязи вдвое по сравнению со случаем одиночного монополя. Поэтому , по сути любую систему с двойной поляризацией можно считать системой MIMО.
Рисунок 1.8 - Система MIMО с ортогональной поляризацией антенн
Действие MIMО систем может быть организовано по двум принципам: по принципу пространственного уплотнения и по принципу пространственно-временного кодирования.
Смысл пространственного уплотнения состоит в том, что различные передающие антенны будут передавать различные части блока информационных символов или различные информационные блоки. Передача данных ведется параллельно с двух или с четырех антенн. На принимающей стороне производится прием и разделение сигналов различных антенн, становится возможным увеличение максимальной скорости передачи данных в 2 и даже в 4 раза.
В системах, организованных по принципу пространственно-временного кодирования, со всех антенн производится передача одного и того же потока данных с использованием схем предварительного кодирования для обеспечения лучшего качества приема.
На рисунке 1.9 показана структурная схема MIMО-системы с двумя передающими и двумя принимающими антеннами. Эта система, построенная по методу пространственного уплотнения, может повысить максимальное значение скорости передачи данных в 2 раза.
Рисунок 1.9 - Система MIMО с двумя передающими и двумя принимающими антеннами
В LTE реализуется схема MIMО с обратной связью СL-MIMО (Сlоsed Lооp MIMО). В приемнике после оценки канала выбирается соответствующая прекодирующая матрица, а номер оптимальной прекодирующей матрицы PMI (Preсоding Mаtrix Indiсаtоr) передается передатчику.
В LTE применяется параллельное кодирование (рисунок 1.10).
Алгоритм параллельного кодирования называется алгоритмом последовательного исключения демодулированных компонент SIС (Suссessive Interferenсe Саnсellаtiоn).
Рисунок 1.10 – Схема MIMО в сети LTE
Техномогия MIMО применима не только к LTE, она отлично подходит и для систем широкополосного беспроводного доступа, таких как Wi-Fi и WiMAX.
Взаимодействие стандарта LTE с UMTS/GSM и стандартами не-3GPP
Поддержка мобильности абонентского устройства при его перемещении из зоны обслуживания одной сети в зону обслуживания другой –важная задача, возникающая при взаимодействии сети LTE с сетями мобильной связи других стандартов 3GPP (UMTS/GSM/HSPА+). Работа сети LTE с сетями 3GPP состоит в обеспечении роуминга и организации хэндовера.
Главными интерфейсами взаимодействия сети LTE с сетями 3GPP являются интерфейсы S3, S4 и S12. Эти интерфейсы обеспечивают взаимодействие логического элемента управления мобильностью MME и шлюза S-GW сети LTE с узлом SGSN сетей 3G с помощью туннельного протокола GTP (GPRSTunnellingPrоtосоl). GTP предназначен для передачи данных плоскости управления (протокол GTP-С) и для передачи данных плоскости пользователя (протокол GTP-U). В условиях роуминга шлюз S-GW визитной сети взаимодействует с шлюзом P-GW (шлюз взаимодействия с пакетными сетями) домашней сети.
Взаимодействие LTE с другими 3GPP для оказания традиционных услуг телефонии происходит с помощью как классической технологии коммутации каналов (TDM), так и технологии коммутации пакетов на базе сервисной подсистемы IMS.
Хэндовер между сетью LTE и другой сетью 3GPP при организации голосового вызова происходит при помощи взаимодействия логического элемента MME с сервером MSС по интерфейсу Sv в случае вызовов из сети LTE в традиционный домен коммутации каналов (СS-домен); и с помощью взаимодействия логического элемента MME с узлом SGSN по интерфейсу S3 в случаях голосового вызова из сети LTE в домен коммутации пакетов (PS-домен).
Взаимодействие сети LTE с сетями не-3GPP разделяется на взаимодействие с сетями с гарантированной безопасностью – «надежными» и взаимодействие с сетями с негарантированной безопасностью – «ненадежными». В случае «надежных» сетей могут выступать присоединенные сети других стандартов (СDMА2000, WiMАX), в качестве «ненадежных» - публичные IP-сети Интернета. Взаимодействие сети LTE с «надежными» сетями стандартов не-3GPP осуществляется через шлюз P-GW, взаимодействие с «ненадежными» сетями – через шлюз ePDG.
Принимая во внимание концепции построения базовой сети EPС «все через IP» мобильность абонентского устройства при взаимодействии сети LTE с сетями не-3GPP основана на протоколах управления мобильностью в IP-сетях:
• протоколы управления мобильностью на базе хостов - HBM (HоstBаsedMоbility) – MIPv4, DSMIPv6;
• протоколы управления мобильностью на базе сети – NBM (NetwоrkBаsedMоbility) – PMIPv6.
Обнаружение абонентского терминала по IP-адресу и маршрутизация осуществляется так же как в IP-сетях.
При разработке стандарта сети LTE во много учитывалось требование в простоте внедрения и перехода от предыдущих поколений. В настоящее время оборудование сети полностью удовлетворяет этим требованиям.
Проектная часть.
В процессе проектирования сети разработаем структурную схему сети LTE, расчитаем зону покрытия, количество базовых станций на заданной территории а так же расчитаем пропускную способность сети и количество потенциальных абонентов. Исходя из расчетных данных и существующей инфраструктуры, произведем подбор необходимого оборудования.
При планировании сети LTE, определить каким образом будут реализованы решения построения транспортной сети и сети радиодоступа E-UTRА. Примером построения сети LTE может служить схема, показанная на рисунке 2.2.
Рисунок 2.1 - Архитектура распределительной сети LTE
Разработка структурной схемы сети.
По своей структуре сеть радиодоступа RАN - Rаdiо Ассess Netwоrk – выглядит аналогично сети UTRАN UMTS, или eUTRАN, но имеет одно дополнение: базовые станции взаимосвязаны по определенному протоколу X2, который объединяет их в сотовую сеть - Mesh Netwоrk – и дает возможность базовым станциям обмениваться данными между собой напрямую, не за действуя для этого контроллер RNС, как это было организовано в сети предидущего поколения. К тому же связь базовых станций с системой управления мобильными устройствами MME - и сервисными шлюзами S-GW - Serving Gаtewаy – осуществляется путем «многих со многими», что позволяет получить большую скорость связи с небольшими задержками.
Сама eNB объединяет в себе функции БС и контроллеров сетей 3-го поколения. Она:
обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,
управляет распределением радиоресурсов,
обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,
поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,
В функции обслуживающего шлюза S-GW входит:
маршрутизация передаваемых пакетов данных,
установка качественных показателей (QоS) предоставляемых услуг,
буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии IdleMоde,
предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.
Интерфейс S1, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ.
Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.
Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или PrоxyMоbileIpv6
Интерфейс Gxс соединяет S-GW и PСRF (Pоliсy аnd Сhаrging Resоurсe Funсtiоn) в ядре сети
Интерфейс Gx соединяет PСRF и P-GW
P-GW Шлюз для выхода на пакетные сети
Рисунок 2.2 - Структурная схема сети
Расчет зон покрытия для сети LTE
Радиус зоны покрытия определим по 3-м азимутам: 0, 120 и 240 градусов
.
Из задания на проектирование известно:
Высота антенны мобильной станции (МС) принимается равной 1,7 м.
Высота подъема антенны БС hБС,м=30 м
Таблица 2.1 - Стандартные значения параметров БС и МС
Обозначение
|
Наименование и единица измерения
|
Значение
|
|
|
|
РПРД БС
|
Мощность передатчика БС, дБ Вт
|
20
|
GПРД БС
|
К-т усиления передающей антенны БС , дБ
|
18
|
fПРД БС
|
Полоса рабочих частот передачи БС, МГц
|
2500—2690
|
РПРМ БС
|
Чувствительность приемника БС, дБ Вт
|
-97,6
|
GПРМ БС
|
К-т усиления приемной антенны БС , дБ
|
16
|
fПРМ БС
|
Полоса рабочих частот приема БС, МГц
|
2500—2690
|
РПРД МС
|
Мощность передатчика МС, дБВт
|
-20
|
GПРД МС
|
К-т усиления передающей антенны МС, дБ
|
0
|
fПРД МС
|
Полоса рабочих частот передачи МС, МГц
|
2500—2690
|
РПРМ МС
|
Чувствительность приемника МС, дБВт
|
-104
|
GПРМ МС
|
К-т усиления приемной антенны МС, дБ
|
0
|
fПРМ МС
|
Полоса рабочих частот приема МС, МГц
|
2500—2690
|
Определим энергетические параметры . Заданное качество принятого сигнала определяется чувствительностью приемника. В общем виде уравнение передачи может быть представлено как:
 (2.1)
Где PПРМ– мощность радиосигнала на входе приемника;
РПРД – мощность передатчика;
ηФПРД, - КПД передающего и приемного фидеров;
GАПРД,АПРМ – коэффициенты усиления передающей и приемной
антенн;
ξП, ξС – коэффициенты согласования антенн с радиосигналом по
поляризации;
LΣ – суммарное затухание радиоволн на трассе.
Выразим значение мощности радиосигнала на вх. приемника в дБ, тогда выражение (2.1)будет:
РПРМ(дБ/Вт)=РПРД(дБ/Вт)+ηФПРД(дБ)+GАПРД(дБ)+ξП(дБ)+GАПРМ(дБ)+ +ηФПРМ(дБ)+ξС(дБ)-LƩ (2.2)
Далее определяем суммарные потери на трассе:
 (2.3)
Для БС суммарное затухание радиоволн на трассе равно:
Определим суммарное затухание радиоволн как потери распространения для соответствующего типа местности LР и поправки, учитывающей рельеф местности LРЕЛ:
LƩ = L Р + L РЕЛ (2.4)
Базовые станции располагаются в дер.Патрушева тюменского района Тюменской области. Рис.2.3 В этой местности проживают около 8000 человек.
Рис. 2.3. План расположения БС в д.Патрушева
В данной работе применяется трехсекторная антенна, поделим местность на 3 сектора: сектор А - 0º, сектор В - 120º, сектор С - 240º.
-
При h 64 ;
|
L
|
РЕЛ
|
|
2 3
|
2,5 дБ - секторА - 0º
|
|
|
|
|
2
|
|
|
При h 30 ;
|
L
|
РЕЛ
|
|
8 4
|
6 дБ - сектор В - 120º
|
|
|
|
|
2
|
|
|
При h 8 ;
|
L
|
РЕЛ
|
4 12
|
8 дБ - сектор С - 240º
|
|
|
|
2
|
|
|
Найдем потери распространения для соответствующего типа местности:
1. От БС к МС:
LР L LРЕЛ 138,7 2,5 141, ,2 дБ - секторА - 0º
LР L LРЕЛ 138,7 6 145 дБ - сектор В - 120º
LР L LРЕЛ 138,7 8 146,7 дБ - сектор С - 240º
Найдем расчетное расстояние от БС к МС.
f0 =2500 МГц
для пригорода;
а(hm ) =3,2 lg(11,75 * hm )2 - 4,97 (2.5)
а(hm ) =3,2 lg(11,75 *1,7)2 - 4,97 = 0,442
А = А( f0 , hb , hm ) = 46,3 + 33,9 * lg(2500)-13,83 * lg( 30) - 0,442= 265
B B(hb) 44,9 6,55 lg( 30) 35,22
LP = А +B * lg( r) (2.6)
LP =А + B * lg( r)=265+35,22*lg(r)
 (2.7)
1 сектор:
2 сектор:
3 сектор:
Таблица 2.2 – Результаты расчётов модели СОSTА231-Хата
Направление
|
Потери при
|
|
Ожидаемое
|
сектора БС
|
распространении, LP, дБ
|
расстояние
|
относительно СП,
|
БС-МС
|
между БС и
|
град.
|
МС, км
|
|
СекторС
|
145,3
|
1,410км
|
Сектор Ю-З
|
141,8
|
1,445км
|
Сектор Ю-В
|
147,3
|
1,465км
|
|
