Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мобильных сетей LTE. Учебно-методическое пособие
.pdf
данных (см. Лабораторная работа № 1). Если же ваш порядковый номер в
журнале – нечетное число (Вариант 2), то от вас требуется разработать алгоритм
Maximum C/I (или Maxomum CQI) с вероятностью BLER=10%.
2. На рисунке 10 представлена упрощенная блок-схема алгоритма
программы распределения радиоресурсов в сетях LTE.
Рис. 10. Пример функциональной блок-схемы алгоритма имитационной
модели распределения радиоресурсов между абонентами сети LTE
В рамках данной лабораторной работы не требуется жестко следовать
предложенному алгоритму. Вы можете предложить собственное, более
оптимальное решение поставленной задачи.
3. Разработав алгоритм имитационной модели MAC-планировщика
радиоресурсов LTE, необходимо реализовать его в программной среде MathCad
(или Octave при отсутствии лицензии на MathCad). Обратите внимание на
способ генерации входного трафика. Мотивируйте выбор модели трафика,
закон распределения моментов появления запросов на передачу данных.
4. Постройте и проанализируйте зависимости вероятности блокировки
канала трафика и относительной пропускной способности от величины входной
нагрузки. На рисунках 11 и 12 показаны примеры получаемых характеристик.
21
Необязательно, что ваши графики будут выглядеть точно так же. Кроме того,
можно построить зависимости среднего времени задержки пакетов (время их
нахождения в системе) от интенсивности входной нагрузки для разных
значений уровней агрегирования CCE.
Рис. 11. Зависимость вероятности блокировки каналов трафика PDSCH от
интенсивности входной нагрузки для различных уровней агрегирования
элементов канала управления CCE (1, 2, 4 и 8)
Рис. 12. Зависимость относительной пропускной способности от интенсивности
входной нагрузки для различных уровней агрегирования элементов канала
управления CCE (1, 2, 4 и 8)
5. Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
алгоритмами программы, и графиками, демонстрирующими успешность
выполнения, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
22
4. Контрольные вопросы
1. Перечислите основные функции, реализуемые в рамках MAC-
протокола LTE.
2. Назовите методы распределения ресурсов между пользователями и
перечислите их основные достоинства и недостатки.
3. Ресурсы каких физических каналов назначаются абонентам на
конкурентной основе планировщиком базовой станции eNodeB?
4. Что за проблема скрывается за выражением «Blocked PDCCH»?
5. В рамках какой функции вычисляется значение BLER, и каким
образом его можно вычислить?
6. Что такое CQI, и как абонентские устройства определяют его
значение?
7. Как измеряется отношение уровня сигнала к шуму SNR
мобильными терминалами LTE?
8. Что означает масштабируемость сетей LTE?
9. Чем отличаются режимы дуплексирования восходящего и
нисходящего каналов TDD и FDD? Каковы преимущества и недостатки
каждого из способов?
Лабораторная работа № 3. Проектирование радиопокрытия и
архитектуры мобильных сетей LTE
1. Цель работы
Получить представление о том, как проектируются мобильные сети LTE
и, в частности, как рассчитывается зона действия (радиопокрытие) отдельных
базовых станций eNodeB (точнее, сот).
2. Краткие теоретические сведения
2.1. Архитектура сетей LTE
На рисунке 13 представлена архитектура сетей LTE. Пунктирными
линиями показаны интерфейсы, используемые для обмена управляющими
(сигнальными) сообщениями (CP – Control Plane). Сплошные линии – это
интерфейсы передачи пользовательских данных (UP – User Plane). Архитектура
сетей 4-го поколения не имеет элемента для централизованного управления
радиоподсистемой, например, контроллера базовых станций eNodeB. Для
обеспечения сигнального взаимодействия между eNodeB существует
логический интерфейс X2. Функции базовых станций eNodeB – это управление
радиоинтерфейсом LTE-Uu (динамическое распределение ресурсов,
шифрование данных, HARQ, управление QoS, MIMO и пр. [7–9]).
Важнейшим компонентом сети является элемент управления
мобильностью MME (Mobility Management Entity), который, благодаря
интерфейсу S6a, имеет доступ к абонентским данным из HSS (Home Subscriber
Server) для выполнения любых процедур, требующих авторизации UE (User
Equipment – пользовательское оборудование) – установление и управление
23
соединениями (сессиями или bearer), регистрация в сети, обновление
местоположение и пр. Кроме того, MME по интерфейсу S11 осуществляет
управление обслуживающим шлюзом S-GW (Serving Gateway) и шлюзом P-GW
(Packet Data Network Gateway) для организации логических транспортных
каналов передачи данных (EPS Bearers). eNodeB взаимодействуют с MME
посредством сигнального S1-U интерфейса. MME во время регистрации
пользователей в сети авторизует их по IMSI (International Mobile Subscriber
Identity), а затем выделяет им временный идентификатор GUMMEI, который
будет использован для идентификации абонентов до отключения мобильных
терминалов.
Сигнальное
UE
LTE-
Uu
Сота
eNodeB – Базовая станция
соединение
Интерфейс передачи
данных
X2
eNodeB eNodeB
S1-U S1-MME
S-GW
S5/S8
P-GW
S1-U
S1-MME
S11
PCRF
Gx
HSS
S6a
MME
Rx
PDN
(например,
IMS)
S-GW – Serving Gateway – Обслуживающий шлюз
PDN – Packet Data Network – Сеть пакетных данных
P-GW – PDN-Gateway – PDN-Шлюз
HSS – Home Subscriber Server – Сервер домашних
абонентов
PCRF – Policy and Charging Rule Function – Управление
политиками и тарификацией пользователей
UE – User Equipment – Пользовательское оборудование
MME – Mobility Management Entity – Элемент
управлениямобильностью
IMS – IP Multimedia System
Рис. 13. Архитектура сети LTE
Главной функцией P-GW является выделение IP-адресов для
пользовательских сессий. P-GW также принимает участие в управлении
качеством обслуживания QoS и тарификациями совместно с элементом PCRF
(Policy and Charging Rule Function). Помимо этого, через P-GW организуется
взаимодействие сети LTE (3GPP) с другими сетями оператора, работающими не
по стандартам 3GPP (например, CDMA2000, Wi-Fi и пр. [10]). Подключение же
к сетям на базе 3GPP выполняется через S-GW посредством интерфейсов S3, S4
и S12 (не показаны на рисунке 13).
Все интерфейсы сети LTE – это IP-интерфейсы. Это означает, что
организация такой услуги как голосовой вызов возможна только с
24
использованием технологий VoIP, которая, в свою очередь, требует
подключения к сети IMS (IP Multimedia System).
2.2. Особенности проектирования радиопокрытия локальных
мобильных сетей LTE
В рамках данной лабораторной работы нас будут интересовать принципы
расчета радиуса действия одной соты LTE. При расчете радиопокрытия
беспроводных точек доступа или базовых станций нужно учитывать
физические факторы, ограничивающие зону действия. Прежде всего, это
чувствительность приемного устройства RxSens (приемника базовой станции
eNodeB или пользовательского терминала UE), которая вычисляется по
формуле (7):
RxSens=+ ℎ+, (7)
где NoiseFigure – коэффициент шума, который обычно указывается
производителем оборудования; RequiredSINR – требуемое отношение мощности
сигнала к мощности шумов и интерференции, зависящее от используемых схем
модуляции и кодирования MCS, а также от механизмов, позволяющих снизить
это значение (features); ThermalNoise – тепловой шум приемника, определяемый
по формуле (8):
ThermalNoise=−174 + 10 ∙(), (8)
где BW – ширина полосы частот принимаемого сигнала в Гц, а -174 дБм –
уровень шума на 1 Гц полосы частот при температуре 200С.
Значение RxSens, получаемое из выражения (7) – это минимальный
требуемый уровень радиосигнала, при котором возможно успешное
декодирование битов данных.
Для того чтобы определить, какой должен быть максимальный уровень
допустимых потерь радиосигнала MAPL (Maximum Allowed Path loss), при
котором будет возможно успешно декодировать данные, составляется и
рассчитывается так называемый бюджет восходящего (от пользователя к точке
доступа UL) и нисходящего (от точки доступа к пользователю DL) каналов.
а) Бюджет нисходящего канала (DL Link Budget)
На рисунке 14 показано, из каких компонентов составляется бюджет
нисходящего канала DL.
В неравенстве, показанном на рисунке 14, все входные параметры за
исключением PL(d) являются константами. В левой части этого неравенства
стоят составляющие, характеризующие реальный уровень сигнала в
зависимости от расстояния d, в правой же – требования к уровню такого
сигнала, при котором декодирование будет осуществимо. Если приравнять
левую и правую часть неравенства, мы получим уравнение (9), где PL(d) можно
заменить на MAPL_DL – уже независящие от расстояния максимально
допустимые потери радиосигнала, которые удовлетворяют минимальным
требованиям успешного приема данных.
TxPowerENodeB − + AntGainENodeB + MIMOGain − MAPL_DL −
IM − PenetrationM=RxSensUE. (9)
25
На рисунке 15 показано, что происходит с сигналом при прохождении
Потери и выигрыши в антенно
-
через антенно-фидерный тракт. Потери сигнала во многом зависят от того, как
сконфигурирована базовая станция.
eNodeB
Бюджет нисходящего
канала в сетях LTE
UE
Расстояние (d), км
TxPowerENodeB – Мощность передатчика базовой станции eNodeB, дБм
FeederLoss – Уровень потерь сигнала при прохождении через фидер или джампер, дБ
AntGainENodeB – коэффициент усиления приемо-передающей антенны базовой
станции eNodeB, дБи
MIMOGain – выигрыш за счет использования MIMO, дБ
PL(d) – уровень потерь радиосигнала в зависимости от удаленности пользователя,
определяемый моделью распространения сигнала, дБ
IM – запас мощности на интерференцию (Interference Margin), дБ
PenetrationM – запас сигнала на проникновение сквозь стены, дБ
RxSensUser – чувствительность приемника пользователя, дБм
Рис. 14. Бюджет нисходящего канала DL в сетях LTE
В случае использования фидера, как правило, фидер доходит до
малошумящего усилителя (МШУ), который монтируется максимально близко к
антенне, а затем с помощью соединительного джампера сигнал передается на
антенну, где происходит его усиление за счет конфигурации антенны и MIMO.
Выигрыш от
MIMO 2x2:
+ 3 дБ
Усиление
антенны:
+3÷+24 дБи
Панельная антенна
Рис. 15. Усиление и ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте базовой
фидерном тракте базовой станции LTE
Джампер
- 0.5 дБ
БС с MIMO 2x2
станции eNodeB LTE
Фидер
- 2 дБ
МШУ
- 0.4 дБ
Приемо-
передатчик БС
eNodeB
26
Если с выхода базовой станции сигнал попадает в фидер, то там он
ослабляется примерно на 2 дБ. Точное значение ослабления зависит от типа и
длины фидера. Затем сигнала попадает на МШУ, где ослабляется еще на 0.4 дБ,
после чего в джампере до антенны он затухает еще на 0.5 дБ. Если базовая
станция сконфигурирована без фидера (приемо-передатчик близко с антенной),
то потерями в антенно-фидерном тракте будут считаться только потери 0.5 дБ в
джампере между приемо-передатчиком и антенной.
MIMO c двумя передающими антеннами позволяет усилить сигнал на
3 дБ или в 2 раза (MIMOGain). В настоящее время бывают базовые станции и с
четырьмя, и с восьмью передающими антеннами, что в свою очередь еще
больше усиливает сигнал.
Запас (margin) мощности сигнала на проникновения PenetrationM
включает в себя не только возможные затухания сигнала при прохождении
через такие препятствия как стены зданий, но и затухания в теле человека
(Body penetration) при телефонном разговоре (учитывается только для
голосовых сервисов).
Решив уравнение (9), можно определить допустимые потери уровня
сигнала MAPL_DL в нисходящем канале, однако, расстояние, на котором
сигнал затухнет на эту величину все еще неизвестно. Для того чтобы это
выяснить, необходимо подобрать подходящую модель распространения
радиосигнала (см. ниже).
б) Бюджет восходящего канала (UL Link Budget)
На рисунке 16 представлены основные составляющие бюджета
восходящего канала UL.
В неравенстве, показанном на рисунке 16, все входные параметры за
исключением PL(d) – это константы. В левой части данного неравенства стоят
составляющие, отражающие реальный уровень сигнала на некотором
расстоянии d от пользователя, в правой же части – требования к уровню такого
радиосигнала, при котором декодирование будет возможно. Приравняв левую и
правую часть неравенства, получаем уравнение (10), где PL(d) можно заменить
на MAPL_UL – это независящие от расстояния максимально допустимые
потери радиосигнала в восходящем канале UL, которые удовлетворяют
минимальным требованиям успешного приема данных.
TxPowerUE − + AntGainENodeB+ MIMOGain − MAPL_UL − IM −
PenetrationM=RxSensENodeB. (10)
Принципиальными отличиями бюджетов восходящего и нисходящего
каналов являются чувствительность приемника RxSens (в зависимости от
направления – это либо чувствительность UE, либо eNodeB), которая
определяется по формуле (7), и мощность передатчика TxPower (UE или
eNodeB).
Результатом решения уравнения (10) будет определение допустимых
потерь MAPL_UL в восходящем канале UL, однако расстояние, на котором
сигнал затухнет на эту величину, все еще неизвестно.
27
eNodeB
Бюджет восходящего
канала в сетях LTE
UE
Расстояние (d), км
TxPowerUE – Мощность передатчика абонентской станции UE, дБм
FeederLoss – Уровень потерь сигнала при прохождении через фидер или джампер, дБ
AntGainENodeB – коэффициент усиления приемо-передающей антенны базовой
станции eNodeB, дБи
MIMOGain – выигрыш за счет использования MIMO, дБ
PL(d) – уровень потерь радиосигнала в зависимости от удаленности пользователя,
определяемый моделью распространения сигнала, дБ
IM – запас мощности на интерференцию (Interference Margin), дБ
PenetrationM – запас сигнала на проникновение сквозь стены, дБ
RxSensENodeB – чувствительность приемника eNodeB, дБм
Рис. 16. Бюджет нисходящего канала UL сети LTE
Для того чтобы определить радиус соты, необходимо подобрать
подходящую модель распространения сигналов, отражающую реальные
особенности местности, в которой требуется спроектировать сеть LTE.
в) Модели распространения сигналов для сетей LTE
После определения величины максимально допустимых потерь в обоих
направлениях (MAPL_UL и MAPL_DL) нужно найти, на какой удаленности от
радиопередатчика d следует ожидать вычисленного уровня потерь сигнала PL.
Для нахождения радиуса соты LTE применяются модели, которые
предсказывают затухание радиосигнала на определенном расстоянии для самых
различных радиоусловий. Это могут быть аналитические модели, например,
модель свободного пространства, не учитывающая факторы воздействия
внешней среды на сигнал, а также эмпирические, полученные опытным путем
для самых разных условий и типов приемопередающих устройств (например,
модели Walfish-Ikegami, Knife-Edge, Okumura, Hata и пр.).
Рассмотрим наиболее часто используемые модели распространения
сигналов для сетей LTE. Базовые станции eNodeB могут устанавливаться
28
практически где угодно: на зданиях, в бизнес-центрах, в аэропортах, вдоль
железных дорог и пр.
Модель свободного пространства FSPM (Free Space Propagation
Model)
Данная модель применяется в условиях открытого пространства между
приемником и передатчиком для диапазона сверхвысоких частот (3..30 ГГц).
Формула для расчета затуханий имеет вид (11):
()=20 ∙
()
+ 20 ∙
()
− 27.55, (11)
где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником
и передатчиком в м.
Такую модель можно использовать при проектировании маломощных
базовых станций в помещениях.
Модель UMiNLOS (Urban Micro Non-Line-of-Sight)
Данная модель также применяется в условиях размещения точек доступа
в помещениях (Indoor).
Формула для расчета затуханий имеет вид (12):
()=26 ∙
(f[
ГГц])+ 22.7+36.7 ∙10(d[м]), (12)
На рисунке 17 представлены полученные с помощью описанных выше
моделей распространения сигнала зависимости потерь мощности радиосигнала
от расстояния между приемником и передатчиком.
Рис. 17. Потери мощности радиосигнала в помещении, рассчитанные по
моделям UMiNLOS и FSMP
Модель Окумура-Хата и ее модификация COST231
Данная модель распространения сигнала является одной из наиболее
часто используемых моделей при проектировании покрытия макросот LTE. Она
применима для сетей, работающих в частотных диапазонах от 150 МГц до 2
29
ГГц при высоте подвеса антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте
⎩
антенны мобильного устройства от 1 до 10 м и радиусе соты от 1 до 20 км.
Формула для расчета затуханий имеет вид (13):
()= + ∙
()
− 13.82 ∙
(
ℎ)− +∙
()
+
, (13)
где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником
и передатчиком в км, ℎ – высота подвеса антенны БС eNodeB, , ,
– константы (см. ниже).
Табл. 4. Значения коэффициентов А и В для различных диапазонов частот
Диапазоны частот, МГц А В
150-1500
1500-2000
69.55
46.3 33.9
26.16
Параметр a зависит от высоты антенны мобильной станции ℎ, от
несущей частоты f, а также от типа местности (или клаттера) и определяется по
формуле (14):
(ℎ)=
)]
− 4.97 для и
()
− 0.8] для , ,
, (14)
[
1.1 ∙
3.2 ∙[
()]
(
11.75 ∙ ℎ
∙ ℎ −[1.56 ∙
где DU –это Dense Urban (плотная городская застройка), U – urban (город), SU –
suburban (пригород), RURAL – сельская местность, ROAD – трасса.
Последняя составляющая в выражении (13) – это Lclutter, зависящая от
несущей частоты f и от типа местности, определяется как (15):
3 для
0 для
=
−(4.78 ∙[
−(4.78 ∙[
−2 ∙
()]
()]
− 18.33 ∙
− 18.33 ∙
+ 5.4 для
()
+ 40.94) для
()
+ 35.94) для
, (15)
Составляющая s зависит от высоты базовой станции ℎ, от несущей
частоты f и от расстояния между абонентом и базовой станцией d и
определяется как (16):
=
()
,для ≥1 км
(
ℎ) ×
,для <1 км
()
. (16)
47.88 + 13.9 ∙
44.9 − 6.55 ∙
()
− 13.9 ∙
Модель Walfish-Ikegami
Данная модель распространения сигнала используется при
проектировании покрытия макросот LTE в условиях городской застройки с
«манхэттенской» grid-образной архитектурой (рисунок 18). Она применима для
сетей, работающих в частотных диапазонах от 800 МГц до 2 ГГц при высоте
подвеса антенны базовой станции от 4 до 50 м, высоте антенны мобильного
устройства от 1 до 3 м и радиусе соты от 30 м до 6 км.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]