Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы передачи дискретных сообщений. Учебное пособие
.pdf
6. Перечислите основные достоинства и недостатки использования
диапазона 2,4 ГГц при построении сети Wi-Fi.
7. Какие характеристики сети Wi-Fi удается улучшить при исполь-
зовании пространственного мультиплексирования в технологии MIMO?
8. Какова зависимость площади зоны покрытия сети Wi-Fi от емко-
сти сети при неизменной скорости передачи от ТД до АТ? Поясните
свой ответ.
9. Поясните смысл терминов «модуляционный символ» и «OFDMсимвол».
10. Что представляет собой процедура циклического продолжения
поднесущих колебаний и какова цель этой процедуры?
11. В чем заключается опасность электромагнитного облучения ан-
теннами Wi-Fi-роутера для здоровья человека при уровнях облучения
выше предельно допустимых норм?
2.5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Правила применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных
в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц : (утв. приказом Министерства связи
и массовых коммуникаций РФ от 14 сентября 2010 г. № 124, с изм. и доп.
на 6 июля 2020 г.) // СПС «Гарант». – URL: http://ivo.garant.ru/#/document/
199539/ paragraph/10:0 (дата обращения: 24.11.2023).
2. Рекомендация МСЭ-R P.1238-5. Данные о распространении радиоволн
и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц –
100 ГГц. – URL: https://studylib.ru/doc/2028870/ rekomendaciya-mse--r-p.1238-5
(дата обращения: 23.11.2023).
3. Беспроводные сети Wi-Fi : учеб. пособие / А. В. Пролетарский, И. В. Бас-
каков и др. – Москва : БИНОМ. Лаб. знаний, 2010. – 215 с.
4. Бакулин М. Г. Технология MIMO: принципы и алгоритмы / М. Г. Бакулин, Л. А. Варукина, В. Б. Крейнделин. – Москва : Горячая линия – Телеком,
2014. – 244 с.
5. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96. Электромагнитные излучения радиочастот-
ного диапазона (ЭМИ РЧ): Санитарные правила и нормы. – Москва : Госкомсанэпиднадзор России, 2002. – 28 с. – URL: https://ohranatruda.ru/upload/
iblock/241/4294851561.pdf (дата обращения: 23.11.2023).
51
3. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ 4G LTE
3.1. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТИ LTE
Основной задачей при проектировании беспроводной сети высокоскоростной передачи данных стандарта 4G LTE является определение
площади зоны покрытия узлом доступа (e-NB) сети LTE и количества
активных абонентских станций (АС), одновременно обслуживаемых
в одном секторе узла e-NB. Кроме того, при проектировании также
важно обеспечить электромагнитную безопасность от излучающих антенн узла e-NB проектируемой сети LTE для населения, проживающего
вблизи места расположения узла e-NB.
Проектирование беспроводной сети передачи данных LTE состоит
из нескольких этапов. Вначале по исходным данным на проектирование о ширине полосы частот, схеме модуляции и скорости кодирования в прямом (DL) канале рассчитываются необходимая чувствительность приемника АС и соответствующий энергетический бюджет
в DL-канале (узел e-NB
лосы частот, типе модуляции и схеме кодирования вычисляют требуемую чувствительность приемника узла e-NB и соответствующий энергетический бюджет в обратном (UL) канале (АС
чае, если энергетические бюджеты в DL- и UL-канале различаются более чем на 3 дБ, то необходимо, выбрав схему модуляции и скорость
кодирования данных в UL-канале, обеспечить примерное равенство
энергетических бюджетов в UL- и в DL-канале (различие должно составлять менее 1 дБ). Затем в зависимости от значения центральной
частоты полосы
модель распространения сигнала в проектируемой сети LTE. После
этого следует рассчитать и построить график зависимости величины
потерь на трассе распространения радиосигнала от расстояния d
в DL-канале необходимо определить эмпирическую
АС). При тех же значениях ширины по-
узел e-NB). В слу-
52
между узлом e-NB и АС. Пользуясь данным графиком и известными
значениями энергетических бюджетов в DL- и UL-канале, далее необходимо определить дальность передачи сигналов в линиях DL
UL
d
DL
и степень их расхождения. Минимальное из двух значений
()d
UL
и
будет определять радиус зоны покрытия одного узла e-NB
d
UL
()d
DL
и
сети LTE. При найденном радиусе зоны покрытия следует вычислить
площадь зоны покрытия узла e-NB в предположении, что она аппроксимируется правильным шестиугольником. После этого рассчитывается скорость передачи данных узла e-NB (или сектора узла e-NB),
или емкость соты (или емкость сектора), которая может быть обеспечена в DL-
и UL-канале. При найденной емкости затем производится
расчет максимально возможного количества активных АС, которые
могут быть обслужены в одном секторе узла e-NB. В соответствии
с заданной на проектировании сети моделью антенны узла e-NB определяется число секторов узла e-NB и число обслуживаемых активных
АС в зоне покрытия одного узла e-NB. Завершается проектирование
беспроводной сети передачи
данных LTE вычислением максимального размера санитарно-защитной зоны (СЗЗ) в секторе одного узла
e-NB с учетом используемой схемы MIMO. Также необходимо графически изобразить рассчитанную СЗЗ сектора одного узла e-NB с учетом диаграммы направленности заданной модели излучающей антенны узла e-NB.
Алгоритм расчета беспроводной сети передачи данных стан-
дарта 4G LTE по рассмотренной методике представлен
на рис. 3.1.
По результатам проектирования следует сформировать в рукописном или печатном виде отчет по выполненной работе, в который включить:
процедуру расчетов беспроводных сетей LTE;
таблицы результатов;
график зависимости потерь от расстояния;
графическое изображение СЗЗ излучающих антенн в секторе узла
e-NB;
выводы по степени расхождения дальности передачи сигналов
в DL- и UL-каналах, по результатам построения СЗЗ, по числу обслуживаемых абонентов и в целом по результатам расчетов.
53
Рис. 3.1. Алгоритм проектирования сети LTE
54
3.2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ СЕТЕЙ LTE
Разработка технологии LTE (Long-Term Evolution – долговременное
развитие) как стандарта официально началась в конце 2004 г., а в декабре 2008 г. утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE,
которые принято относить к системам мобильной связи четвертого поколения (4G). Сеть LTE (рис. 3.2) состоит из наземной подсистемы радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access
Network), которую образуют узлы eNodeB ‒ базовые станции LTE, и пакетного ядра EPC (Evolved Packet Core).
Рис. 3.2. Структура мобильной сети связи LTE
Узел eNodeB (далее ‒ eNB) 4G LTE объединяет в себе функции базовых станций и контроллера базовых станций сетей третьего поколения (3G), т. е.:
обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу;
управляет распределением радиоресурсов между абонентскими
станциями (АС), включая контроль доступа к сети и динамическое выделение АС ресурсов в прямом и обратном канале;
обеспечивает маршрутизацию пользовательских данных к S-GW;
поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень
помех в соте;
обеспечивает шифрование потоков данных в радиоканале;
организует сигнальный обмен с MME и др.
В ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core) входят:
MME (Mobility Management Entity) – узел управления мобильностью АС в сети LTE, предназначенный для управления мобильностью
55
абонентов в сети, включая регистрацию абонентов, обновления данных
об их местоположении, хэндовер и роуминг абонентов;
S-GW (Serving Gateway) – сервисный шлюз, предназначенный для
маршрутизации и передачи пакетов данных в соответствии с требованиями QoS, инициации выделения сетевых ресурсов АС и установления
сессии, предоставления учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг;
P-GW (Packet Data Network Gateway) – пакетный шлюз взаимодействия с другими сетями передачи данных, основная задача которого
заключается в маршрутизации и контроле трафика сети LTE (включая
распределение IP-адресов для АС) к другим сетям передачи данных, таких как Интернет, сети LTE других операторов, а также к сетям GSM
и UMTS;
HSS (Home Subscriber Server) – сервер абонентских данных, представляющий собой справочную базу всех данных об абонентах, в которой содержится информационный профиль абонента: идентификационные номера и адреса, параметры подлинности абонента, состав подключенных услуг, данные о роуминге абонента и др.;
PCRF (Policy and Charging Rules Function) – сервер управления
ресурсами сети, учета и тарификации предоставляемых услуг, отвечающий за качество соединений в соответствии с заданными для конкретной АС характеристиками и за управление начислением платы (включая
on-line тарификацию) за оказанные АС услуги связи.
Для обеспечения двунаправленной передачи данных между eNB
и АС по технологии LTE поддерживается как частотный (FDD), так
и временной дуплекс (TDD). Для частотного дуплекса стандартом
определено 15 парных частотных диапазонов (частоты от 450 МГц до
3.5 ГГц), а для временного – восемь (частоты от 700 МГц до 5,9 ГГц).
Большинство операторов связи, запустивших сеть LTE в России,
имеют спаренные полосы частот для обеспечения дуплекса, поэтому
далее основное внимание будет уделено режиму FDD. Из 15 допустимых парных диапазонов в России разрешено к использованию шесть
(табл. 3.1).
Ширина радиоканала передачи данных между eNB и АС в том или
ином допустимом частотном диапазоне может быть различной. В LTE
возможны следующие значения: 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц.
56
Диапазоны частот LTE в России
Таблица 3.1
Частотный
диапазон
band-1 1920…1980 2110…2170
band-3 1710…1785 1805…1880
band-7 2500…2570 2620…2690
band-8 880…915 925…960
band-20 832…862 791…821
band-31 452,5…457,5 462,5…467,5
Частотный диапазон
в восходящем (UL)
канале, МГц
Частотный диапазон
в нисходящем (DL)
канале, МГц
Далее рассмотрим основные особенности построения и функционирования сети LTE, относящиеся к сети радиодоступа.
Технология OFDMA и SC-OFDMA
Принципиально новым решением для радиоинтерфейса LTE стало
использование методов множественного доступа – OFDMA (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) в нисходящем (DL) канале и SC-
FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) – в восходя-
щем (UL) канале. Детальное описание этих технологий можно найти
в [4‒5]. Далее рассмотрим лишь особенности использования технологий OFDMA и SC-FDMA в сети LTE.
При использовании технологии OFDMA
в DL-канале передача
осуществляется на множестве ортогональных частотных поднесущих
(subcarrier), разнос между которыми составляет
subc
15 кГцf
(оп-
ционально возможен вариант с 7,5 кГц). Общее количество поднесущих
организуемых в полосе пропускания канала BW, зависит
,N
all
от ширины полосы пропускания и для стандарта LTE определяется
по табл. 3.2. Часть из этих поднесущих
используется для пере-
N
use
дачи данных, пилот-сигналов, сигналов синхронизации и управления, остальные поднесущие (называемые нулевые поднесущие) используются для защитных интервалов, антенной не излучаются, и передача на них не ведется (см. рис. 1.4).
57
Таблица 3.2
Количество поднесущих OFDMA-сигнала в канале LTE в режиме FDD
Характеристика Параметр
Полоса пропускания канала BW, МГц 1,4 3 5 10 15 20
Общее количество поднесущих для форми-
N
рования OFDMA-сигнала
Из них:
количество поднесущих, используемых
для передачи OFDMA-сигнала,
количество ресурсных блоков
в одном слоте
N
RB
all
N
use
(RB)
128 256 512 1024 1536 2048
72 180 300 600 900 1200
6 15 25 50 75 100
Каждая поднесущая, используемая для передачи OFDMA-сигнала,
модулируется посредством 4-, 16- или 64-позиционной QAM модуляции (QPSK, 16-QAM или 64-QAM). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. Частотный канал шириной
BW Nf
use use subc
является физическим каналом передачи OFDMA-
сигнала в LTE, который, в свою очередь, делится на подканалы или частотные блоки, состоящие из
FB
расположенных рядом поднесу-
12n
щих (рис. 3.3).
Каждый частотный блок (подканал) занимает полосу
FB subc
180 кГц.nf
(frame) длиной
(subframe) длиной
слотов длительностью
Передача в подканале осуществляется кадрами
10 мс,T
F
SF
который состоит из десяти подкадров
в свою очередь, подкадр состоит из двух
1 мс;T
каждый. В каждом слоте передают
0,5 мсT
SL
F
RB
семь (опционально ‒ шесть, в зависимости от длительности циклического префикса) OFDM-символов с длиной
SYMB subc
1/Tf
(рис. 3.3).
В начале каждого OFDM-символа вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс, представляющий собой копию конца
символа, добавленную к началу символа.
Весь канальный ресурс в нисходящем DL-канале разбивается на ресурсные блоки (РБ, Resource Block, RB). Один РБ состоит из одного частотного подканала (занимающего полосу 180 кГц) и одного временного
58
слота (семь или шесть OFDM-символов общей длительностью 0,5 мс).
Каждый OFDM-символ на каждой из поднесущих (рис. 3.3) образует ресурсный элемент (РЭ, Resource Element, RE). При обычной конфигурации (семь OFDM-символов в одном слоте) в DL-канале каждый РБ
включает в себя 12 ꞏ 7 = 84 РЭ. Каждый РЭ, расположенный в том или
ином слоте, предназначен для
передачи физических каналов LTE: пилотного, первичной и вторичной синхронизации, управляющих и информационных (рис. 3.4).
Рис. 3.3. Принцип формирования OFDMA-сигнала
Рис. 3.4. Структура кадра LTE в нисходящем направлении в режиме FDD
Распределение частотного ресурса между АС в DL-канале сети LTE
осуществляется ресурсными блоками (РБ), т.е. каждой АС в каждом
слоте на определенное время выделяется некоторое число РБ – от одного до
Максимальное количество доступных РБ
.N
RB
59
N
RB
для АС
зависит от выделенного сети LTE диапазона частот (табл. 3.2). О конкретном распределении РБ в каждом слоте eNB сообщает каждой АС
в специальном управляющем канале PDCCH. Такое распределение канальных ресурсов в частотно-временной области для информационного
обмена АС с eNB называется ресурсной сеткой АС.
В восходящем UL-канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится
энергетическая эффективность метода передачи информации с целью
увеличения зоны покрытия и снижения потребляемой АС мощности
батареи. Именно по этой причине в UL канале используется технология SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access или
FDMA с одной несущей частотой).
Принципиальное отличие двух
технологий заключается в следующем. Если в OFDMA модуляционные символы передаются параллельно (одновременно) каждой поднесущей, то в SC-FDMA модуляционные символы передаются последовательно группой поднесущих, модулируемых одновременно
и одинаково (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Отличия при формировании SC-FDMA сигнала:
а ‒ OFDMA; б ‒ SC-FDMA
Другими словами, если при OFDMA один модуляционный символ
(QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу длительно-
стью 66,7 мкс на одной поднесущей 15 кГц, то при SC-OFDMA один
SC-FDMA-символ содержит 12 (по количеству поднесущих в подканале) модуляционных символов, каждый из которых длительностью
66,7/12 мкс. При этом ресурсная сетка в UL-канале полностью аналогична DL-каналу. Кроме того, каждый ресурсный
60
блок в технологии
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]