Кафедра MForum.ru: Лидия Варукина. Упражнение по планированию радиосетей LTE

Планирование радиосетей LTE имеет кое-какие отличия от подобного процесса для других разработок. Отличия обусловлены типом многостанционного доступа на базе OFDM, наличием двух типов дуплекса — частотного (FDD) и временного (TDD), а при планировании сетей с временным дуплексом приходится искать компромисс между радиопокрытием и емкостью сети. Проиллюстрируем возможности сетей LTE с разными типами дуплекса и в разных диапазонах частот, оценив их радиопокрытие и емкость.

Лидия Варукина, к.т.н., менеджер по оборудованию мобильного широкополосного доступа
компании Nokia Siemens Networks

Пара месяцев назад у нас было создано первое объединение операторов для построения совместной сети LTE на базе сети «Скартел». В альянсе со «Скартелом» в него вошли операторы «Громадной Тройки» и Ростелеком. В печати муссировались все вероятные экономические и политические обстоятельства этого события. Не отметая их важности, разглядим технические предпосылки объединения операторов.

Кроме этого обрисуем ответ компании Nokia Siemens Networks по помощи радиосетей, совместно применяемых несколькими операторами.

Процесс планирования радиосетей

Существуют два главных варианта планирования сетей: с целью формирования большой площади покрытия либо для обеспечения требуемой емкости. Эти задачи иногда противоречат друг другу. К примеру, в городских условиях при высокой плотности абонентов территории обслуживания базисных станций (БС) по площади значительно меньше максимальной, но оптимизированы по пропускной свойству.

В сельской местности обычно обстановка – противоположная, плотность абонентов – низкая, и базисные станции устанавливаются на большом удалении друг от друга так, дабы закрыть каждой БС большую территорию. Но в обоих случаях квалифицируют как радиопокрытие, так и емкость сети чтобы распознать в проекте сети факторы, ограничивающие ее характеристики.

Энергетический бюджет

Анализ радиопокрытия начинают с вычисления энергетического бюджета, либо максимально допустимых утрат на линии (МДП). Принцип расчета иллюстрируется Рис.

1, МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимально нужной мощностью сигнала на входе приемника сопряженной стороны, при которой с учетом всех утрат в канале связи обеспечивается обычная демодуляция сигнала в приемнике.

Разглядим примеры расчета энергетического бюджета для совокупностей LTE c частотным и временным дуплексом, трудящихся в диапазоне 2600 МГц. Причем для совокупности с временным дуплексом разглядим два варианта конфигураций кадра 1 и 2, формат особого субкадра – 7. Системная полоса для всех совокупностей рассматривается равной 20 МГц, т.е. при FDD системная полоса будет разделяться на два канала по 10 МГц для линии вверх (UL) и линии вниз (DL), а при TDD вся полоса 20 МГц будет употребляться как на UL, так и на DL.

Разглядим БС, РЧ-блок каждого сектора которой оснащен двумя приемопередатчиками, выходная мощность передатчиков 20 Вт (43 дБм).

РЧ-блок устанавливается в близи от антенны. Базисная станция трудится на линии вниз в режиме MIMO 2×2 с применением кросс-поляризованной антенны. Потому, что 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 возможно взять энергетический выигрыш (3 дБ). В качестве АС разглядываем USB-модем, класс 3 – ЭИИМ 23 дБм.

Результаты расчета энергетического бюджета (*) сведены в Табл. 1.

Табл. 1. Энергетический бюджет для условий средней муниципальный застройки

(*) Подробное описание расчета энергетического бюджета включено в готовящуюся к печати книгу: Тихвинский В.О. ,Терентьев С.В., Варукина Л.А., Высочин В.П. "Сети LTE и LTE Advanced :Архитектура, технологиии и регулирование"

Энергетический бюджет в значительной мере зависит от соотношения длительности кадров на UL и DL. В случае если в совокупности FDD конфигурация кадров однообразна для линий вверх и вниз: кадр включает в себя 10 субкадров по 1 мс, то в совокупности TDD употребляется ассиметричная структура кадра для линий вверх и вниз.

На Рис.2 нарисовано 7 конфигураций кадра в совокупности TDD (в сети TDD конфигурации кадров всех БС должны совпадать; кадры на рисунке пронумерованы по вертикали), состоящего кроме этого из 10 субкадров по 1 мс (субкадры пронумерованы по горизонтали). Буквой «S» обозначены особые субкадры, включающие 3 поля, см. Рис. 3: DwPTS – поле для передачи управляющей информации и пользовательских данных на линии вниз; GP – защитный промежуток для переключения с линии вниз на линию вверх; UpPTS – поле для передачи на линии вверх управляющей информации, по большей части канала доступа. Обратите внимание, что особый субкадр разрешает переносить пользовательскую данные лишь на линии вниз.

В разглядываемых примерах совокупности TDD употребляется особый субкадр формата 7 с длительностью полей: DwPTS – 10 знаков OFDM, GP – 2 знака OFDM, – 2 знака OFDM.

В совокупностях с адаптивными схемами MCS дальность связи зависит от обеспечиваемой 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 соотношения длительностей и типа дуплекса кадра UL/DL, для переноса этого потока данных, требуется выделить различное количество ресурсных блоков (1 ресурсный блок = 180 кГц х 1 мс). Выбор оптимального числа ресурсных блоков NPRB и схемы MCS осуществляются по итогам моделирования канального уровня, исходя из заданного качества одолжений с минимизацией ОСШ MSNR.

Указанные в Табл. 1 значения MSNR взяты для модели канала «Enhanced Pedestrian A 5» [2].

Запас на помехи MInt определяется по итогам моделирования системного уровня в зависимости от нагрузки в соседних сотах. Указанные в Табл.

1 значения MInt соответствуют нагрузке в соседних сотах 90%.

Чтобы обеспечить сообщение в помещении, нужно добавить в энергетический бюджет запас на проникновение радиоволн в помещение MInd. Для диапазона 2600 МГц могут использоваться следующие типовые значения запаса на проникновение:

— 22 дБ в условиях плотной муниципальный застройки;
— 17 дБ в условиях средней муниципальный застройки;
— 12 дБ в условиях редкой застройки (в пригороде);
— 8 дБ в сельской местности (на открытой местности в автомобиле).

Потому, что территории радиопокрытия соседних сот, в большинстве случаев, перекрываются, то при происхождении глубоких замираний в обслуживающей соте АС может осуществить хэндовер в соту с лучшими чертями приема. Данный эффект возможно трактовать как выигрыш от хэндовера GHO.

Из двух значений МДП, взятых для UL и DL, выбирают минимальное, по которому создают предстоящий расчет радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, в большинстве случаев, есть линия вверх.

Обратите внимание, что в Табл. 1 максимально допустимые утраты на линиях вверх и вниз приблизительно однообразные, с отличием меньше 1 дБ. В этих примерах скорости передачи на линии вверх были зафиксированы, а на линии вниз для каждого случая скорость подбиралась так, дабы сбалансировать максимально допустимые утраты для обеих линий.

В Табл.

1 указаны радиусы сот для ограничивающей линии с мельчайшим МДП, для линии вверх, в условиях средней муниципальный застройки. Для расчета дальности связи в этом случае употребляется модель распространения радиоволн COST231-Hata [3], высота подвеса антенн БС принята равной 30 м.

Наилучшим радиопокрытием при одной и той же гарантированной скорости передачи данных на линии вверх владеет совокупность FDD. Чтобы передать одинаковый поток данных в трех рассмотренных совокупностях, на линии вверх приходится выделять различное количество частотных ресурсов (в обратной зависимости от длительности кадра), потому, что длительности кадров на линии вверх различаются: 10 мс – при FDD; 4 мс – при TDD, конф.1; 2 мс – при TDD, конф.2.

Но чем больше частотных ресурсов выделяется пользователю, тем выше мощность тепловых шумов во входных цепях приемника, и хуже его чувствительность.

Но, в рассмотренных случаях в совокупности TDD возможно обеспечивать более высокую пропускную свойство на линии вниз если сравнивать с совокупностью FDD, благодаря асимметрии кадров DL и UL, см. Табл.

1.

Оценка емкости

Емкость, либо пропускную свойство, сети оценивают, базируясь на средних значениях спектральной эффективности соты в определенных условиях.

В Табл. 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) [1]. И в том и другом случае чёрта оценивались для диапазона 2 ГГц, полосы канала 10 МГц (10 + 10 МГц в дуплексе), при утратах на проникновение в строение 20 дБ, в среднем при 10 активных пользователях в соте.

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

Для совокупности аккумуляторная средняя пропускная свойство соты возможно взята методом прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность.

Для совокупности TDD возможно принять спектральную эффективность равной подобным значениям для совокупности FDD, а при расчете пропускной свойстве учитывать долю длительности кадра на линии вверх либо вниз.

К примеру, вычислим среднюю пропускную свойство соты на линии вниз при конфигурации кадра 1:

RTDD=SFDDaverage.W.T%=1,69.20000.0,54=18,25 Мбит/с,

где SFDDaverage — средняя спектральная эффективность, W — ширина канала, T% — часть длительности кадра на линии вверх либо вниз.

Результаты расчета пропускной свойстве трехсекторных базисных станций приведены в Табл. 3.

Сравнивая типы дуплекса…

По диаграммам на Рис. 5 возможно сравнить среднюю площадь покрытия и пропускную способность трехсекторного сайта для 3 рассмотренных конфигураций совокупности LTE (согласно данным из Табл.

1 и Табл. 3). В случае если пропускная свойство на линии вниз в совокупностях FDD и TDD с конфигурацией кадра 1 приблизительно однообразная, то радиопокрытие различается уже заметно.

Универсального рецепта по выбору конфигурации совокупности LTE не существует. В случае если тип дуплекса определяется отсутствием либо наличием парного спектра у оператора, то на выбор конфигурации кадра в TDD смогут воздействовать требования как к радиопокрытию, так и к пропускной свойству.

Чем больше асимметрия кадра TDD и больше продолжительность кадра на линии вниз, тем, к сожалению, больше ограничения по площади радиопокрытия.

Возможно дать совет операторам на начальной стадии развития сети при малом трафике применять конфигурацию кадра 1 и ориентироваться на поверхностное/уличное покрытие (обеспечивать доступ к услугам в строениях лишь у окна либо из машин), после этого по уплотнения роста сайтов и меря трафика переходить к вторым конфигурациям кадра с большей асимметрией.

О частотных диапазонах

Для 3 рассмотренных конфигураций совокупности диапазона 2600 МГц вычислим требуемое количество трехсекторных сайтов для обслуживания некоего мегаполиса площадью 880 кв. км.

В Табл. 4. указаны результаты расчета, и распределение классов застройки/местности, определяющих условия распространения радиоволн.

(*) Более правильное оценивание радиопокрытия в большинстве случаев создают посредством особых программных средств радиопланирования, учитывающих тип застройки и рельеф местности.

Полученное число базисных станций должно впечатлить кроме того неспециалистов. Опыт говорит о том, что в городе подобной площади у оператора сотовой связи имеется 1500-2000 площадок с БС.

Ограничения по числу сайтов позваны не только денежными возможностями сотовых компаний, но и отсутствием подходящих площадок для установки БС.

А сейчас посмотрим на оценку числа базисных станций в сети LTE FDD диапазона 800 МГц, см. Табл. 5. Энергетический бюджет рассчитывается кроме этого, как для диапазона 2600 МГц. Отличия для диапазона 800 МГц заключаются в меньшем коэффициенте усиления антенны БС (15 дБ вместо 18 дБ) и в меньших утратах на проникновение в строение (в среднем их принимают на 3 дБ меньше).

Благодаря лучшим особенностям распространения радиоволн в низкочастотном диапазоне 800 МГц площадь сайта возрастает приблизительно на порядок если сравнивать с диапазоном 2600 МГц, соответственно, при применении диапазона 800 МГц сайтов требуется в десять раз меньше для закрытия той же территории.

В случае если строить сеть лишь в низкочастотном диапазоне, то с целью достижения требуемой емкости сети при высокой плотности абонентов нужно будет устанавливать сайты близко друг к другу. При весьма плотной расстановке сайтов их территории радиопокрытия неизбежно перекрываются (для сети LTE, трудящейся с коэффициентом переиспользования частот 1, это весьма критично), возрастает уровень внутрисистемных помех и ухудшается пропускная свойство. И, напротив, в случае если трудиться лишь в высокочастотном диапазоне, то неизбежно появляются неприятности с радиопокрытием.

Мысль иерархической сети не нова. С целью достижения баланса между ёмкостью и покрытием целесообразно применять как минимум несколько иерархических уровней, трудящихся в высоком и низком диапазонах частот, причем на различных уровнях смогут употребляться различные радиотехнологии.

К вопросу об объединении операторов

Итак, мы продемонстрировали, что разворачивать макро-сеть лишь в высокочастотном диапазоне – задача неблагодарная, потому, что обеспечить обычное радиопокрытие в этом случае затруднительно. А «дырявое» либо не хватает глубокое радиопокрытие воспринимается абонентами как низкий уровень качества предоставляемых оператором одолжений.

Операторам беспроводного широкополосного доступа, не имеющим сотовых активов, приходится строить инфраструктуру радиодоступа фактически с нуля, вкладывая в развитие сети огромные средства. А в многолюдных районах эти неприятности еще усугубляются недостаточным числом площадок, пригодных для установки БС. Все потенциальные сайты уже заняты сотовыми операторами, арендодатели с громадным скрипом идут на установку новых антенн и нового оборудования.

Все мы видим каждый день, перемещаясь по весям и городам, крыши и вышки домов, увешанные множеством «железок».

Обилие антенн, выставленных на общее обозрение, не додаёт красоты отечественным каменным джунглям.

Естественный выход из данной ситуации – совместное применение существующей инфраструктуры несколькими операторами, и ее расширение. Объединение операторов может мотивироваться кроме этого возможностью объединения их частотных ресурсов, что мы, наверное, будем замечать при консорциума операторов на базе «Скартел».

Оценим емкость сети LTE FDD в мегаполисе при наличии пары полос 10+10 МГц и при переиспользовании 1500 сотовых площадок.

Исходя из Табл. 3, суммарная пропускная свойство таковой сети в направлении к абоненту составит RNW = 50,7 x 1500 = 76000 Мбит/с. При расчете числа абонентов будем ориентироваться на тарифы сети LTE Telia Sonera (Швеция): большой количество трафика абонента в месяц – 30 Гбайт.

(4) ЧНН — час громаднейшей нагрузки

Приблизительно таковой сценарий применения сети LTE возможно предположить для Москвы. Полученная расчетная емкость в 726 тыс. абонентов очевидно недостаточна для сети широкополосного доступа в мегаполисе с населением более 12 млн. человек. Чтобы удовлетворить ожидания всех пяти операторов, входящих в консорциум, требуется громадная емкость, а, значит, больший частотный ресурс.

Возможно, что для других перспективных операторов LTE, нацеленных на использование TDD-версии (в диапазонах выше 2 ГГц), кроме этого нужно будет подумать об альянсах с сотовыми операторами. И для них это кроме того более актуально ввиду технологических ограничений LTE TDD по дальности связи если сравнивать с LTE FDD.

Еще один момент, на что хотелось бы обратить внимание: так ли нужно создавать «ковровое» покрытие в сети в высокочастотном диапазоне.

При наличии у оператора (либо у альянса операторов) нескольких диапазонов частот, значительно разумнее надеяться на ковровое покрытие, к примеру, с применением 3G в диапазонах 900 либо 2100 МГц, а LTE в более высоких диапазонах разворачивать точечно в территориях с высокой плотностью абонентов, применяя не макро-, а микро- и пико- базисные станции.

Ответ компании Nokia Siemens Networks

Компанией созданы и удачно эксплуатируются решения по помощи сетей, совместно применяемых несколькими операторами (Network Sharing), с разделением ресурсов между операторами на нескольких уровнях:
— на уровне транспорта (при пассивном переиспользовании площадки несколькими БС),
— на уровне системы радиодоступа (при активном переиспользовании ресурсов БС для помощи различных операторов, каждого в собственной полосе частот),
— на уровне ядра сети (при полном переиспользовании полос частот, базисных станций, транспорта и при разделении ресурсов ядра между операторами).

Для системы радиодоступа компании Nokia Siemens Networks, выполненной по разработке Single RAN, вероятен кроме этого последовательность вариантов переиспользования ресурсов не сильный различными операторами, как иллюстрирует Рис.

7.

Базисная станция Flexi Multiradio складывается из двух главных элементов: системный модуль для цифровой обработки сигналов и радиомодуль с тремя приемопередатчиками. В минимальной конфигурации трехсекторная базисная станция выполняется из этих двух модулей, см. Рис. 8.

Радиомодуль с 3 приемопередатчиками, изображенный на Рис. 9, может обслуживать три сектора с помощью в каждом секторе 6 несущих GSM, 4 несущих WCDMA, либо нескольких каналов LTE c суммарной шириной 20 МГц. Радиомодуль может трудиться в смешанном режиме GSM/WCDMA/LTE. Помимо этого, радиомодуль может поддерживать радиоканалы, находящиеся в собствености различным операторам, реализуя концепцию «Network Sharing».

Системный модуль Flexi Multiradio снабжает помощь до 6 радиомодулей, частотные каналы которых смогут принадлежать различным операторам.

Так, БС Flexi Multiradio являются лучшим решением для сетей, совместно применяемых несколькими операторами, с реализацией разработок GSM/ WCDMA/ LTE FDD/ LTE TDD.

Литература

1. Farooq Khan.

LTE for 4G Mobile Broadband. Air ниссан блюберд and Performance. — Cambridge University Press, 2009 – 492 с.

2. 3GPP TS 36 104: "E-UTRA Base Station (BS) radio transmission and reception" (Release 9).

April 2011.

3. 3GPP TS 25.996: "Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations" (Release 9). December 2009.

Скачать статью Лидии Варукиной "Упражнение по планированию радиосетей LTE" в виде .pdf файла

Все об LTE на MForum.ru >>

© Лидия Варукина, специально для MForum.ru, MForum.ru