Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мобильных сетей LTE. Учебно-методическое пособие
.pdf
eNodeB
Расстояние Между eNodeB и UE (d), км
h
w
b
LOS – Line-of-Sight –
Зона прямой видимости;
Non-LOS – Non-LOS –
Зона НЕпрямой
видимости.
h – средняя высота зданий, м
w – средняя ширина улиц, м
b – среднее расстояние между зданиями, м
UE
Non-LOS
LOS
Рис. 18. Применение модели Walfish-Ikegami для расчета покрытия
Потери мощности радиосигнала, если абонент находится в зоне прямой
видимости базовой станции (LOS), рассчитываются как (17):
=42.6 + 20
()
+ 26
()
. (17)
При отсутствии прямой видимости между абонентом и eNodeB, потери
определяются как (18)–(25):
+ + ,если + >0
=
, если + ≤0
, (18)
где L0 – потери сигнала в свободном пространстве, L1 – потери сигнала за счет
переотражений от стен зданий, L2 – потери сигнала за счет переотражений от
крыш зданий.
=32.44 + 20
()
+ 20
=
()
. (19)
−10 + 0.354
−16.9 − 10
()
+ 10
()
+ 20
(
∆ℎ − ℎ)+
2.5 + 0.075
,
4.0 − 0.114
(20)
где – средний угол между направлением распространения сигнала и улицей.
=
+ +
()
+
()
− 9
()
. (21)
31
−18
=
(
1 + ℎ− ∆ℎ),если ℎ>∆ℎ
0, если ℎ≤∆ℎ
. (22)
54, если ℎ>∆ℎ
=
54 − 0.8(ℎ −∆ℎ), если ℎ≤∆ℎ и >0.5
54 − 0.8(ℎ − ∆ℎ)∙
,если ℎ≤∆ℎ и ≤0.5
.
. (23)
18,если ℎ>∆ℎ
=
18 − 15 ∙
=−4 + 0.7
∆
∆
,если ℎ≤∆ℎ
− 1. (25)
. (24)
г) Расчет радиуса и площади соты (Range and area calculation)
Применив выбранную модель распространения радиосигнала, получаем
зависимость, отражающую затухание радиосигнала при увеличении расстояния
между пользователем UE и базовой станцией eNodeB. Для того чтобы
определить, на каком расстоянии декодирование данных будет все еще
возможно в восходящем и нисходящем каналах, нужно знать уровень
максимально допустимых потерь в обоих направлениях (MAPL_UL и
MAPL_DL).
Отложив значения потерь радиосигнала в нисходящем и восходящем
каналах на графике зависимости потерь сигнала от расстояния между
пользователем и базовой станцией, как показано на рисунке 19, можно найти
радиусы сот. Точки пересечения MAPL_UL и MAPL_DL с кривой PL(d) покажут
радиусы сот LTE в UL и DL направлениях (d_UL и d_DL).
При проектировании радиопокрытия всегда берется меньшая из величин
d_UL и d_DL, в данном примере – это d_UL.
Рис. 19. Определение радиуса UL и DL в LTE-сети при проектировании соты в
помещении
32
Используя модель распространения сигнала UMiNLOS (подходит для
расчета покрытия в небольших помещениях, то есть для фемтосот), и рассчитав
максимально допустимые потери сигнала в обоих направлениях, получаем
радиус соты в восходящем канале 36 м и в нисходящем канале 60 м. В
результате, зона действия соты LTE ограничена радиусом 36 м.
На рисунке 20 показано, как определить площадь покрытия базовой
станции, зная, сколько секторов (сот) планируется сконфигурировать на каждой
eNodeB.
R
6-секторная БС
S=2.6R
2
2-секторная БС
S=1.73R
R
R
2
3-секторная БС
S=1.95R
2
Рис. 20. Определение площади сайта (базовой станции) в зависимости от числа
сконфигурированных секторов
3. Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается
рассчитать количество базовых станций, необходимых для обеспечения
радиопокрытия заданной площади в среде MathCad (или Octave при отсутствии
лицензии на MathCad), сравнить радиус действия в восходящем UL и
нисходящем DL каналах. Кроме того, требуется спланировать архитектуру сети
LTE, определить требуемое число MME и S-GW.
Порядок выполнения работы:
Исходные данные:
Мощность передатчиков eNodeB: 43 дБм;
Число секторов на одной eNodeB: 3;
Мощность передатчика пользовательского терминала UE: 23 дБм;
Коэффициент усиления антенны eNodeB: 21 дБи;
Запас мощности сигнала на проникновения сквозь стены: 17 дБ;
Запас мощности сигнала на интерференцию: 6 дБ;
Модель распространения сигнала для макросот: COST 231 Hata;
Модель распространения сигнала для фемто- и микросот:
UMiNLOS;
Диапазон частот: 1.9 ГГц;
Полоса частот в UL: 20 МГц;
33
Полоса частот в DL: 20 МГц;
Дуплекс UL и DL: FDD;
Коэффициент шума приемника eNodeB: 2.4 дБ;
Коэффициент шума приемника пользователя: 7 дБ;
Требуемое отношение SINR для DL: 11 дБ;
Требуемое отношение SINR для UL: 14 дБ;
Число приемо-передающих антенн на eNodeB (MIMO): 2;
Емкость одного S-GW: 128 базовых станций;
Емкость одного MME: 256 eNodeB;
Площадь территории, на которой требуется спроектировать сеть
LTE: 500 кв. км;
Площадь торговых и бизнес центров, где требуется спроектировать
сеть LTE на базе микро- и фемтосот: 200 000 кв.м;
Базовые станции с фидерами.
1. Выполните расчет бюджета восходящего канала, используя
входные данные, и определите уровень максимально допустимых потерь
сигнала MAPL_UL.
2. Выполните расчет бюджета нисходящего канала, используя
входные данные, и определите уровень максимально допустимых потерь
сигнала MAPL_DL.
3. Постройте зависимость величины входных потерь радиосигнала от
расстояния между приемником и передатчиком LTE.
4. Определите радиус базовой станции eNodeB LTE в восходящем и
нисходящем каналах. По меньшему из полученных значений рассчитайте
площадь одной базовой станции и, исходя из заданной площади, вычислите
требуемое количество базовых станций (сайтов), необходимое для обеспечения
непрерывного покрытия на этой территории.
5. Зная количество базовых станций, определите, сколько MME и SGW потребуется для построения сети LTE на заданной территории. Результаты
расчетов по требуемому оборудованию сведите в таблицу.
6. Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
графиками, демонстрирующими успешность выполнения, результирующими
таблицами, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
4. Контрольные вопросы
1. Какие модели распространения сигналов используются для расчета
радиопокрытия сетей LTE?
2. Какие основные составляющие бюджета восходящего (UL) и
нисходящего (DL) каналов в сетях LTE?
3. Чем отличается чувствительность приемника базовой станции LTE
и пользовательского терминала UE?
34
4. Каково назначение элементов радиоподсистемы сетей LTE?
Уровни
5. Для чего используется интерфейс X2?
6. Что такое тепловой шум, и как он определяется?
7. Что ограничивает радиус соты мобильных сетей LTE в нисходящем
и восходящем каналах?
8. Из чего состоят потери сигнала в антенно-фидерном тракте базовой
станции eNodeB?
Лабораторная работа №4. Расчет пропускной способности и
абонентской емкости мобильных сетей LTE для различных типов сервисов
1. Цель работы
Получить представление о том, как рассчитывается абонентская емкость
в мобильных сетях 4-го поколения LTE для различных сервисов, а также какая
часть радиоресурсов выделяется под каналы управления (сигнализация).
2. Краткие теоретические сведения
2.1. Протоколы радиоинтерфейса LTE
Радиоресурсы в сетях LTE – это совокупность частоты (до 20 МГц без
агрегации несущих), времени (1 мс) и пространства (типы антенн). Однако
далеко не все эти ресурсы могут быть выделены абоненту. Часть ресурсов
тратится на управление радиодоступом, выполняемое различными
протоколами. На рисунке 21 показан стек протоколов Uu-интерфейса LTE
(радиоинтерфейс).
модели
OSI
L3
Application
Уровень
приложений
L2
Data Layer
Канальный
уровень
L1
Physical
Физический
уровень
Control Plane (CP)
Сигнальные сообщения
Данные протоколов NAS (Non-
Access Stratum) и RRC (Radio
Resource Control) – L3 Signaling
PDCP-подуровень (Packet Data Convergence Protocol). Функции: 1) Шифрование.
2) Защита целостности данных CP. 3) Сжатие протокольных заголовков UPданных (ROHC-протокол – Robust Header Compression Protocol)
RLC-Подуровень (Radio Link Control). Функции: 1) ARQ (Automated Repeat
reQuest) В трех режимах – Acknowledgment Mode (AM) для трафика не-реального
режима времени; Unacknowledgment Mode (UM) для трафика реального режима
времени; Transparent Mode (TM) для широковещательных каналов. 2)
сегментация и конкатенация данных.
MAC-Подуровень (Medium Access Control). Функции: 1) HARQ. 2) Динамическое
распределение радиоресурсов (Scheduler). 3) Упаковка данных транспортных
каналов в физические каналы
Технологии физического уровня: OFDMA, SC-FDMA, MIMO, Модуляция,
формирование радиосигналов.
Пользовательский IP-Трафик с
различными QoS-Требованиями
(голос, видео, скачивания и пр.)
User Plane (UP)
Пользовательские данные
Рис. 21. Стек протоколов радиоинтерфейса LTE и их функции
35
На радиоинтерфейсе есть протоколы только трех уровней модели OSI.
Верхний уровень – это уровень приложений, на котором буферизируются
данные. Данные, передаваемые по сети LTE, делятся на 2 типа: абонентский IPтрафик с различными требованиями к качеству обслуживания QOS (UP) и
сигнальные данные для управления соединениями (CP). NAS – это протокол
сигнального взаимодействия пользователей UE и MME. RRC – это протокол, на
котором «общаются» между собой базовая станция eNodeB и абоненты UE. В
случае если со стороны MME поступает сообщение NAS-протокола, то оно
инкапсулируется в сообщение RRC и затем передается пользователю.
С уровня приложений L3 данные поступают на второй уровень, который
в свою очередь подразделяется на 3 подуровня, функции которых выполняют
одноименные протоколы: PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio
Link Control) и MAC.
На PDCP-подуровне базовой станцией и абонентом выполняется
шифрование данных UP и CP, выполняется защита целостности данных CP
(integrity protection) и сжатие протокольных заголовков, которое осуществляет
протокол ROHC. Могут сжиматься заголовки протоколов IPv4, IPv6, UDP, RTP
и прочие.
Подуровень RLC отвечает за сегментацию или конкатенацию данных,
пришедших с PDCP, для того чтобы поместить их в транспортные блоки,
назначенные абоненту на более низких уровнях. Кроме того, протокол RLC
выполняет повторную пересылку данных в режиме AM (Acknowledgment
Mode) в рамках ARQ-функционала. RLC-подуровень оперирует с данными,
стоящими в очередях различных логических каналов.
После процедур RLC-уровня данные передаются на MAC-подуровень, где
формируются транспортные и физические каналы, а также выполняется
распределение ресурсных блоков RB между различными пользователями UE и
логическими каналами в рамках функции Scheduler. Помимо этого, MACпротокол отвечает за повторную пересылку транспортных блоков HARQ.
Нормальное значение BLER в LTE для абонентских данных – это 10%, а для
каналов управления – 1 % (например, для PDCCH). Это не означает, что 10%
данных пользователей теряется. Это лишь говорит о том, что 10%
транспортных блоков пересылаются повторно, избыточно занимая ресурсы
каналов PDSCH и PUSCH.
На физическом уровне L1 происходит модуляция всех имеющихся
поднесущих битами данных и формирование OFDM-сигналов, а затем их
передача на несущих частотах.
Для расчета емкости важно понимать, что каждый протокол,
обрабатывающий данные, вносит долю избыточности, требует ресурсов
радиоинтерфейса, а значит, уменьшает пропускную способность, достижимую
абонентами, а, следовательно, и абонентскую емкость. В [11] представлен
детальный алгоритм, расчета объема ресурсов радиоканала, затрачиваемых на
управление.
36
2.2. Услуга «Голос» в сетях LTE и архитектура IMS
Казалось бы, очевидно, что любая мобильная сеть должна предоставлять
голосовой сервис своим абонентам. Однако, реализация этой услуги в сетях
LTE не так проста, а зачастую и вовсе невозможна. Основное ограничение
вызвано тем, что сеть LTE – это сеть, все транспортные интерфейсы которой
работают по IP-протоколу. Это означает, что трафик, передаваемый по такой
сети, должен быть пакетным, потому что сеть коммутирует именно пакеты
(PS), а не каналы, как, например, в сетях 2-го и 3-го поколения (CS). В связи с
этими особенностями классические голосовые сервисы в сетях LTE можно
реализовать лишь так, как показано на рисунке 22.
Голосовые
сервисы в сетях
LTE
CSFB на сети 2/3G:
НЕТ голоса в LTE
All IP: VoIP В LTE и
VoIP в 3G (между
сетями обычный PS-
хэндовер)
SRVCC в 2/3G: VoIP
в LTE (PS) и CS-
голос в сетях 2/3G
(хэндовер PS->CS)
CSFB – Circuit Switch FallBack – Возврат в сеть с коммутацией каналов (2/3G)
CS – Circuit Switch – Коммутация каналов
PS – Packet Switch – Коммутация пакетов
2/3G – Сети 2-ого (GSM) и 3-его (WCDMA) поколений
VoIP – Voice Over IP – голос по IP-протоколу
SRVCC – Single Radio Voice Call Continuity – технология бесшовного перехода с
технологии VoIP на «классическую» технологию передачи голоса с CS
Хэндовер – «эстафетная» передача обслуживания абонента между сотами одной
или разных сетей.
Рис. 22. Методы реализации голосовых сервисов в LTE
В настоящее время самым распространенным среди операторов
мобильной связи решением для голосовых вызовов в LTE является CSFB
(Circuit Switch Fall Back). Эта технология не подразумевает, что LTE сеть
вообще используется для голоса. В случае голосового вызова, абонент просто
переключается на сеть 2-го или 3-го поколения (GSM или WCDMA),
разумеется, если таковая имеется у мобильного оператора и ее покрытие
совпадает с покрытием сети LTE. Этот способ предоставления голосовых услуг
не требует разворачивания IMS-архитектуры. Для него нужно лишь
организовать интерфейс между MME и MSS (Mobile Switching System),
называемый SGs. Этот же интерфейс используется для передачи SMSсообщений в случае отсутствия IMS (IP Multimedia System).
37
Чтобы понять, каков смысл двух оставшихся решений для передачи
голоса в сетях LTE, необходимо прояснить, что такое IMS.
2G
Радиоподсистема
(TDMA)
3G
Радиоподсистема
(CDMA)
4G
Радиоподсистема
(OFDMA)
Радиоподсистемы разных
поколений работают по
разным технологиям,
требуют отдельное
оборудование
Рис. 23. Принципы построения сетей 2–4-го поколений
На рисунке 23 показано, по какому принципу происходит переход с
одного поколения мобильной связи на другое: сеть нового поколения означает
покупку и установку полностью нового оборудования радиоподсистемы и ядра
сети (Core или подсистема коммутации).
+
+
+
Ядра сетей разных поколений по
функции, однако, нуждаются в
Ядро сети 2G
(управление
соединениями)
Ядро сети 3G
(управление
соединениями)
Ядро сети 4G
(управление
соединениями)
сути выполняют одни и те же
отдельном оборудовании для
каждого поколения
=
=
=
Сеть 2G
Сеть 3G
Сеть 4G
Универсальное Ядро IMS,
отвечает за сигнальное
управление соединениями
в любых радиосистемах
3G
Радиоподсистема
(CDMA)
2G
Радиоподсистема
(TDMA)
WiMAX
Радиоподсистема
(OFDMA)
Wi-Fi
Радиоподсистема
IMS-ядро
4G
Радиоподсистема
(OFDMA)
Рис. 24. Концепция IMS-архитектуры
5G
Радиоподсистема
(xxxMA)
38
Радиоподсистема
CDMA2000
В случае с оборудованием радиоподсистемы это объяснимо тем, что
технологии совершенствуются и становятся более спектрально эффективными.
Но если обратить внимание на функционал ядра сети, то очевидно, что он
призван выполнять практически идентичные операции, связанные с
управлением соединениями.
Приняв во внимание все сказанное выше, возникла концепция
архитектуры IMS, универсального «ядра» сети, которое может управлять
соединениями независимо от типа технологии радиоинтерфейса (accessindependent), как показано на рисунке 24.
Два оставшихся решения для голосовых сервисов строятся на том, что у
оператора имеется сеть IMS и реализован VoIP (Voice over IP), то есть голос,
передаваемый по технологии коммутации пакетов PS. Второе решение
подразумевает, что VoIP есть не только в LTE, но и в сетях 3-го поколения
WCDMA. В этом случае, если у абонента заканчивается покрытие сети 4G
(LTE) во время активного VoIP-разговора, то его соединение может быть
автоматически переведено в сеть 3G (то есть будет выполнен PS->PS хэндовер),
которая также поддерживает VoIP-сервис.
Последнее решение для голоса – это SRVCC (Single Radio Voice Call
Continuity). По сути, это решение лишь описывает переход голосового абонента
с сети LTE при окончании ее покрытия на сети GSM и WCDMA. Главная
сложность заключается в том, что голос в 4G – это PS-голос, а в сетях 2 и 3G –
поддерживается только CS-голос. В рамках данного решение происходит
отключение абонента от IMS и переключение на классические сети с
коммутацией голосовых каналов.
2.3. Качество обслуживания QCI и сервисы сетей LTE
Табл. 5. Параметры качества обслуживания для различных сервисов
QCI
Тип
ресурсов
Приоритет Бюджет
задержки,
мс
Вероятность
потери
пакета
Примеры услуг
1 GBR 2 100 10-2 VoIP-голос
2 GBR 4 150 10-3 Видеовызов
3 GBR 3 50 10-3 Онлайн игры
4 GBR 5 300 10-6 Просмотр видео (с
буфферизацией)
5 Non-
1 100 10-6 IMS-сигнализация
GBR
6 Non-
GBR
7 Non-
GBR
8 Non-
GBR
9 Non-
GBR
6 300 10-6 Видео, браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
7 100 10-3 Голос, видео,
интерактивные игры
8 300 10-6 Браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
9 300 10-6 Браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
39
В таблице 5 представлены различные параметры, характеризующие
качество обслуживания абонентов, со значениями, рекомендованными 3GPP
для указанных видов сервисов. QCI (QoS Class Identifier) используются в LTE
для того, чтобы указывать, какие требования к обслуживанию предъявляются
различными типами сервисов и присваивается каждой сессии (bearer)
пользователя.
Первые четыре QCI гарантируют абонентам определенную
(сконфигурированную оператором) битовую скорость GBR (Guaranteed Bit
Rate), остальные пять – не гарантируют. С помощью приоритетов можно
увеличить или уменьшить вероятность занятия канала абонентами с
определенными сервисами. Бюджет задержки особенно важен для
чувствительного к длительности обслуживания трафика, такого как, например,
голос. Вероятность потери пакетов также важная характеристика, особенно
если речь идет о передаче сверхважного трафика или сигнальных сообщений.
Параметры, приведенные в таблице 5 – это далеко не полный список QoSхарактеристик, доступных для конфигурирования в LTE. Прочие показатели
зависят от вендорской реализации.
3. Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается оценить
емкость мобильных сетей 4-го поколения LTE в среде MathCad (или Octave при
отсутствии лицензии на MathCad), либо MS Excel.
Порядок выполнения работы:
1. Исходные данные для расчета абонентской емкости сетей LTE:
Ширина полосы частот: 15 МГц;
Циклический префикс: нормальный;
Сервисы, для которых требуется определить емкость: голос (VoIP),
онлайн видео (video streaming) и скачивание данных (downloading).
Требуемая скорость передачи данных для одного голосового
абонента на физическом уровне c1: 20 кбит/с;
Требуемая скорость передачи данных для одного абонента,
просматривающего видео, на физическом уровне c2: 500 кбит/с;
Требуемая скорость передачи данных для одного голосового
абонента на физическом уровне c3: 2 Мбит/с;
Режим MIMO: 2x2, пространственное мультиплексирование (spacial
multiplexing);
Затраты частотно-временных ресурсов на каналы управления и
вспомогательные сигналы (overheads): 30%;
Процент ретрансмиссий MAC-уровня HARQ (BLER): 10%;
Используемая схема модуляции и кодирования MCS: QAM16 3/5;
Режим дуплексирования UL и DL: FDD.
Для того чтобы определить число абонентов N, нужно прежде всего
вычислить скорость передачи данных в одной соте LTE, достижимую при
заданных параметрах.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]