Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мобильных сетей LTE. Учебно-методическое пособие
.pdf
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. Г. Дроздова
Основы мобильных сетей LTE
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2017
УДК 621.396.2(075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент канд. техн. наук, доц. П.А. Приставка
Дроздова В.Г. Основы мобильных сетей LTE: Учебно-методическое
пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики; каф. телекоммуникационных сетей и вычислительных средств. –
Новосибирск, 2017. – 43 с.
Учебно-методическое пособие содержит материалы для подготовки и
проведения лабораторных занятий по курсу «Беспроводные технологии и
компьютерные сети» со студентами 1 курса магистратуры. В пособие
включены типовые задания, а также справочный теоретический материал,
позволяющий студентам изучить принципы построения, проектирования
мобильных сетей 4-ого поколения LTE, а также основы их физического и
канального уровня.
Для направления 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника».
© Дроздова В.Г., 2017
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ...................................................................... 4
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6
Лабораторная работа №1. Изучение OFDM-технологии. ...................................... 7
Лабораторная работа №2. Изучение MAC-протокола сетей LTE ....................... 13
Лабораторная работа №3. Проектирование радиопокрытия и архитектуры
мобильных сетей LTE. ........................................................................................... 23
Лабораторная работа №4. Расчет пропускной способности и абонентской
емкости мобильных сетей LTE для различных типов сервисов. ......................... 35
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................ 42
3
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
БС – Базовая станция
БПФ – Быстрое Преобразование Фурье
МС – Мобильная станция
ОБПФ – Обратное Быстрое Преобразование Фурье
ЧНН – Час Наибольшей Нагрузки
3GPP – Third Generation Partnership Project
BER – Bit Error Rate
BLER – Block Error Rate
BPSK – Binary Phase Shift Keying
CQI – Channel Quality Indicator
CP – Cyclic Prefix
CRC – Cyclic Redundancy Check
CSFB – Circuit Switch Fall Back
DL – Downlink
FDD – Frequency Division Duplex
FDMA – Frequency Division Multiple Access
GSM – Global System for Mobile
GUMMEI – Global Unique MME Identity
HARQ – Hybrid Automated Repeat Request
HSS – Home Subscriber Server
IFFT – Inverse Fast Fourier Transform
IMS – IP Multimedia System
IMSI – International Mobile Subscriber Identity
IP – Internet Protocol
LTE – Long Term Evolution
MAC – Medium Access Control
MAPL – Maximum Allowed Path Loss
MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service
MCS – Modulation and Coding Scheme
MIMO – Multiple Input Multiple Output
MME – Mobility Management Entity
MSS – Mobile Switching System
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OSI – Open Systems Interconnection
PCRF – Policy Charging Rule Function
PLMN – Public Land Mobile Network
PDCP – Packet Data Convergence Protocol
PDN – Packet Data Network
PHY – Physical layer (OSI)
PLMN – Public Land Mobile Network
PRACH – Physical Random Access CHannel
4
RB – Resource Block
RLC – Radio Link Control
ROHC – Robust Header Compression
RRC – Radio Resource Control
RTP – Real Time Protocol
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
QCI – Quality Class Identifier
QoS – Quality of Service
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying
SC-FDMA – Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SINR – Signal to Interference plus Noise Ratio
SMS – Short Message Service
SNR – Signal to Noise Ratio
SRVCC – Single Radio Voice Call Continuity
TDD – Time Division Duplex
TDMA – Time Division Multiple Access
TTI – Time Transmission Interval
UDP – User Datagram Protocol
UE – User equipment
UL – Uplink
UMiNLOS – Urban Micro Non-Line-Of-Sight
VoIP – Voice over IP
WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access
5
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы, описанные в настоящем учебно-методическом
пособии, ориентированы на выполнение студентами магистратуры,
обучающимися по направлению 09.04.01 «Информатика и вычислительная
техника» в рамках изучения дисциплины «Беспроводные технологии и
компьютерные сети».
Выполнение лабораторных работ направлено на развитие следующих
компетенций:
– способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и
приборов (ОК-8);
– владение методами и средствами получения, хранения, переработки и
трансляции информации посредством современных компьютерных технологий,
в том числе в глобальных компьютерных сетях (ОПК-5);
– владение существующими методами и алгоритмами решения задач цифровой
обработки сигналов (ПК-5).
В ходе выполнения данных лабораторных работ студентами изучаются:
– основы построения и базовой конфигурации сетей LTE;
– методы проектирования радиопокрытия в сетях 4-ого поколения;
– архитектура и ключевые интерфейсы мобильных сетей LTE;
– формирование OFDMA-сигнала;
– основы физического и канального уровня сетей LTE;
– принципы динамического распределения радиоресурсов в сетях LTE,
реализованное на MAC-подуровне канального уровня;
– расчет пропускной способности и абонентской емкости в сетях LTE.
Кроме того, студенты овладевают навыками работы с такими
программными средами как WireShark и MathCAD.
6
Лабораторная работа №1. Изучение OFDM-технологии
1. Цель работы
Получить представление об OFDM-сигналах, каким образом они
формируются, и как помехи в радиоканале влияют на величину BER (Bit Error
Rate).
2. Краткие теоретические сведения
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – современный метод
физической передачи данных посредством ортогонально-частотного
разделения несущих [1–3], активно применяемый в сетях мобильной,
широкополосной связи и телевидении (LTE, WiMAX, Wi-Fi и пр.). В рамках
курса «Беспроводные технологии и компьютерные сети» представляет интерес
изучение особенностей формирования, передачи и приема OFDM-сигналов.
На рисунке 1 представлена общая структура OFDM-передатчика LTE с
поддержкой MIMO (Multiple Input Multiple Output – технология передачи и
приема данных с использованием нескольких антенн). Поток битов данных
кодируется, шифруется (необязательно), а затем поступает на логический блок,
отвечающий за его распараллеливание по имеющимся поднесущим частотам.
Разнос между поднесущими частотами в LTE составляет 15 кГц для
большинства типов данных, 7.5 кГц – для услуг MBMS, 1.25 кГц – для канала
случайного доступа PRACH. Количество поднесущих зависит от ширины
полосы частот (1.4, 3, 5, 10, 15 или 20 МГц) и варьируется от 72 до 1200.
Подробнее узнать об особенностях реализации радиоинтерфейса LTE можно в
[4].
Упрощенная схема OFDM-передатчика LTE
Приемопередающие
антенны (MIMO)
Квадратурный
модулятор
несущей
частоты
Несущая частота
(например, 2.1,
2.4, 1.9 ГГц)
...
Кодированный
битовый поток
0011010011011101
Биты
001101
0011
01
по поднесущим
Распараллеливание
1101
последовательного битового потока
Разнос между поднесущими в LTE составляет 15 кГц
(7.5 кГц для MBMS и 1.25 кГц для PRACH Канала)
Модулятор
поднесущей
BPSK, QPSK,
QAM16, QAM64
...
Модулятор
поднесущей
BPSK, QPSK,
QAM16, QAM64
Блок OFDM-модуляции
Быстрое обратное преобразование
OFDM-
символ
Добавление
циклического
префикса CP
Фурье IFFT
Рис. 1. Упрощенная схема OFDM-передатчика LTE с поддержкой MIMO
На блок-схеме, показанной на рисунке 1, показано, что каждая отдельная
поднесущая модулируется BPSK-/QPSK-/QAM16-/QAM64-модулятором в
зависимости от текущих радиоусловий. По сути, это математическая операция,
преобразовывающая несколько бит (в зависимости от типа модуляции) в
7
комплексное число, которое затем подается в блок обратного быстрого
преобразования Фурье (ОБПФ или IFFT), где они суммируются и умножаются
на определенную промежуточную частоту. Таким образом, на выходе блока
IFFT получается временное представление сигнала или OFDM-символ, который
затем частично копируется и удлиняется путем добавления скопированной
части в начало символа (CP – Cyclic Prefix – циклический префикс), после чего
модулирует несущую частоту в блоке квадратурного модулятора и передается
на антенну (или антенны в случае MIMO) и отправляется на радиоинтерфейс.
На приемной стороне (не показано на рисунке 1) происходят аналогичные
обратные процедуры (прием сигнала, демодуляция, отделение циклического
префикса, прямое преобразование Фурье и пр.).
MIMO – это важнейшая технология для увеличения спектральной
эффективности в сетях LTE, основная идея которой состоит в том, что биты
данных делятся между несколькими передающими (Input) антеннами и
отправляются одновременно в общей полосе частот. Для того чтобы понять
принцип работы MIMO, рассмотрим рисунок 2.
h11
i1
Блок
предварительного
кодирования
сигнала
i2
Базовая станция LTE (eNodeB)
h11 h12
H=
h21 h22
i1
I= - Вектор передаваемых данных.
i2
o1
O= - Вектор принятых данных с учетом помех.
o2
Noise=Noise Figure + Тепловые шумы приемника.
- Канальная матрица мультипликативных помех;
измеряется пользователем на пилотных сигналах.
Воздействие аддитивных помех
(+Noise) И мультипликативных
h21
h12
h22
помех (*H)
o1
o2
Пользовательский
терминал
Уравнение MIMO в матричной форме:
O=I*H+Noise
или
o1= i1*h11+i2*h21+Noise
o2= i2*h22+i1*h12+Noise
Рис. 2. Иллюстрация работы MIMO в сетях LTE
MIMO реализуется на сетях в нескольких режимах. Первый режим – это
режим пространственного мультиплексирования данных. В этом случае каждая
антенна передает независимый поток битов данных, что увеличивает
пропускную способность. При ухудшении радиоусловий обе антенны могут
дублировать передачу идентичного потока данных, улучшая отношение SNR.
На рисунке 2 показан случай, когда данные с обеих передающих антенн
предназначены одному пользовательскому терминалу – это пример режима
Single User MIMO (SU-MIMO). Существует также режим Multi User MIMO
8
(MU-MIMO), когда eNodeB передает данные разным абонентам, увеличивая
емкость сети.
И, наконец, рассмотрим подробнее роль преобразования Фурье в
формировании сигналов.
Существует временное (A(t) – изменение амплитуды сигнала A во
времени t) и частотное представление радиосигнала (A(f) и φ(f) – зависимости
амплитуды и фазы сигналов от частоты f). Очевидно, что временное
представление сигнала отражает интенсивность сигнала во времени. Частотное
представление сигнала – это его спектр, показывающий, насколько широка
частотная полоса, занимаемая данным сигналом. Это важно знать для того,
чтобы избегать помех, создаваемых одними технологиями другим. Задача
прямого преобразования Фурье – получить частотное представление
радиосигнала, имея его временные значения. И наоборот – обратное
преобразование Фурье, зная частотную характеристику сигнала,
восстанавливает его временной вид. Познакомиться более детально с
преобразованиями Фурье можно в [5–6].
Существуют разновидности преобразования Фурье, называемые быстрым
преобразованием Фурье (БПФ или FFT) и обратным быстрым преобразованием
Фурье (ОБПФ или IFFT), которые, как правило, чаще используются в цифровой
обработке сигналов, благодаря меньшим вычислительным затратам на их
осуществление. Однако, количество элементов (в контексте LTE – число
поднесущих) должно быть равно 2k, где k=0,1,..,∞.
Уравнение для БПФ имеет вид (1):
()=
∑
()
, (1)
где N – размерность преобразования Фурье, F(x) – сигнал в частотной области и
f(n) – сигнал во временной области.
ОБПФ имеет вид (2):
()=
∑
()
. (2)
Ключевыми достоинствами, благодаря которым OFDM так часто
используется в беспроводных сетях, считаются устойчивость к частотноселективным помехам (это узкополосные помехи, возникающие в городских
условиях, вызванные переотражениями сигналов от зданий и прочих
препятствий) и относительная простота реализации.
3. Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентами изучается влияние
помех в радиоканале на вероятность успешного декодирования данных,
передаваемых по технологии OFDM с использованием QPSK-модуляции в
среде MathCad (или Octave при отсутствии лицензии на MathCad).
Порядок выполнения работы:
На рисунке 3 показана функциональная блок-схема поэтапного алгоритма
выполнения лабораторной работы.
9
(1) Входные
параметры
(8) Вычисление
вероятности битовой
ошибки BER И построение
функции BER(SNR)
(2) Генерация случайной
последовательности битов
(3) Формирование
модуляционных QPSK-
символов
(4) Формирование OFDM-
Символов (ОБПФ)
(7) Жесткое декодирование
полученных битов данных
(6) БПФ на приемной
стороне
(5) Генерация шумов в
радиоканале и «зашумление»
полезного сигнала
Рис. 3. Функциональная блок-схема алгоритма выполнения лабораторной
работы
1. Разрабатываемая программа должна иметь два входных параметра –
число битов данных (N=512) и переменное значение отношения сигнала к
шуму SNR (варьируется от -5 до 25), от которого будет необходимо построить
зависимость битовой ошибки BER.
2. Используя генераторы случайных чисел, сформируйте массив нулей
и единиц размерностью N.
3. Исходя из случайных значений битов, сгенерированных в п. 2,
сформируйте QPSK-символы, передаваемые на каждой поднесущей, в
соответствии с таблицей 1.
Табл. 1. Соответствие QPSK-символов различным битовым комбинациям
1-й бит 2-й бит QPSK-символ
0 0 +1+j
0 1 -1+j
1 1 -1-j
1 0 +1-j
Количество сформированных символов равно N/2 (один QPSK-символ
содержит два бита данных). В результате получается массив значений QPSKi,
где i=0..N/2-1.
4. Выполните обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ),
чтобы получить временное представление сигнала, как показано ниже (3).
Входными данными для которого будут значения QPSKi, модулирующие
поднесущие, сформированные в п.3
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]