Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы передачи дискретных сообщений. Учебное пособие
.pdf
SC-FDMA занимает 12 поднесущих с шагом
15 кГцf
в частотной
области (всего 180 кГц) и один слот длительностью 0,5 мс – во временно´ й. Ресурсному блоку соответствуют семь SC-FDMA-символов
(или шесть опционально). Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7 мкс
(длительности соответствующих циклических префиксов также
равны). В сетке может быть от 6 до 100 ресурсных блоков.
Схемы организации MIMO в сети LTE
Технологии MIMO позволяют повысить пропускную способность,
дальность связи и помехоустойчивость систем беспроводной связи. Для
решения этих задач в системах LTE предусматриваются различные
схемы MIMO [3]:
однопользовательские SU-MIMO (Single User MIMO) используются на линии DL для повышения пропускной способности и могут
быть реализованы на базовых станциях (eNB) с двумя, четырьмя или
восемью передающими антеннами (см. рис. 2.8);
многопользовательские MU-MIMO (MultiUser MIMO) позволяют
организовать доступ в сеть нескольких пользователей на одних и тех же
частотно-временных каналах, увеличивая агрегатную пропускную способность системы. MU-MIMO могут использоваться на линии как DL,
так и UL (см. рис. 2.8);
разнесенной передачи, специфицированные и для линии DL (при
наличии двух или четырех передающих антенн на eNB), и для линии UL
(при наличии на абонентской станции двух антенн). Разнесенная передача позволяет увеличить дальность связи и помехоустойчивость системы;
адаптивного формирования диаграммы направленности (BF ‒
Beam Forming), реализуемые на eNB (линии DL и UL) и дающие возможность увеличить дальность связи и помехоустойчивость системы.
В практически развернутых сетях LTE используется достаточно редко
(рис. 3.6).
Стандартом LTE допускаются схемы MIMO с одной, двумя, четырьмя
и восьмью передающими и приемными антеннами в различных сочетаниях, при этом максимальная конфигурация MIMO для линии DL – 8 × 8,
тогда как для линии UL – 4 × 4. Следует иметь в виду, что с ростом конфигурации MIMO более чем 2 × 2 увеличивается количество ресурсных
61
Рис. 3.6. Схема MIMO с beam forming
элементов, задействованных для передачи сигналов пилотного (опорного) канала RS в каждом субкадре, относительно количества, показанного на рис. 3.4: в 1,5 раза при конфигурации 4 × 4 и в 2 раза при
конфигурации 8 × 8. В результате если при схеме MIMO 2 × 2 скорость передачи данных вырастет в 2 раза, то при схеме 4 × 4 рост составит 0,815 × 4 раза, а при схеме 8 × 8 рост будет
равен 0,675 × 8 раза.
По этой причине на практике в системах LTE конфигурации MIMO
более чем 4 × 4 используются крайне редко.
Электромагнитное излучение антенн eNB сети LTE
В связи с особенностями размещения сетей LTE (густонаселенные
районы городов, расстояние между узлами eNB менее 1 км) возникает
задача определения такого расстояния от места расположения излучающей антенны узла eNB, при котором воздействие электромагнитного
поля (ЭМП) на организм человека можно считать безопасным. При проведении прогнозирования электромагнитных излучений от узла eNB
различают: санитарно-защитную зону (
СЗЗ) и зону ограничения за-
стройки (ЗОЗ) вокруг расположения излучающих антенн узла eNB.
(определение понятий СЗЗ и ЗОЗ и основные проявления отрицатель-
ного воздействие внешнего переменного ЭМП на организм человека
описано в разд. 1.2). В диапазонах частот LTE (см. табл. 3.1) количественная оценка опасности электромагнитных излучений определяется
путем сравнения измеренной (или вычисленной) величины
плотности
потока мощности П на расстоянии R от излучающей антенны узла eNB
62
с величиной предельно допустимого уровня плотности потока мощности
П , значение которой определено СанПиН 2.2.4/2.1.8.055–96
ПДУ
(табл. 3.3). В табл. 3.3 приведено значение
П для излучающих ан-
ПДУ
тенн АС сети LTE.
Таблица 3.3
Предельно допустимые уровни излучения для сети LTE
Категория облучения
Облучение населения, проживающего на прилегающей к антеннам узла eNB территории
Облучение пользователей АС сети LTE 100
П , мкВт/см
ПДУ
10
2
Отличительной особенностью излучающих антенн узла eNB является использование различных схем организации MIMO. Однако, учитывая мобильность АС и возможность организации связи с АС в любой
точке зоны обслуживания узла eNB, площадь СЗЗ будет определяться
только мощностью передатчика, количеством и характеристиками излучающих антенн узла eNB, а не конкретной схемой организации MIMO
(SU-MIMO, MU-MIMO, beam forming или разнесенная передача).
3.3. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕТИ LTE
Чувствительность приемника
Чувствительность приемника в сети LTE определяется как минимально допустимое значение мощности сигнала на входе приемника
P , при котором обеспечивается уверенная демодуляция сигнала.
0пр
В свою очередь, для успешной демодуляции сигнала необходимо достичь заданного отношения средней мощности сигнала к средней мощности интерференционных помех и тепловых шумов SINR (Signal to
Interference + Noise Ratio). Параметр SINR в данном случае характери-
зует качество приема сигнала. Реальная чувствительность
P зависит
0пр
63
от уровня собственных шумов приемника
I
I
I
сигнала в демодуляторе
, полосы пропускания приемника
M
, качества обработки
N
F
требуемой величины SINR и может быть определена с помощью выражения
,f
0пр B0 data FM треб
где
1,38 10 Вт/Гц Кk
B
опорная температура;
23
N
– постоянная Больцмана;
– коэффициент шума приемника (2,5 дБ для
F
приемника узла eNB и 7 дБ для приемника АС [4]);
SINR , ВтPkTfNI ,
data RB RB
290 КT
0
–
–
, ГцfNF
полоса пропускания для передачи данных в сети LTE, зависящая от количества выделенных ресурсных блоков
ресурсного блока
цификацией на LTE [2] (табл. 3.4);
; конкретные значения
F
RB
– запас на реализацию (этот па-
M
и ширины полосы одного
N
RB
и
N
RB
задаются спе-
F
RB
раметр учитывает неидеальную реализацию демодулятора и снижение
уровня сигнала из-за любой цифровой обработки сигнала перед демодулятором); значения
в табл. 3.5 согласно спецификации на LTE [2];
зависят от вида модуляции сигнала и приведены
M
SINR – требуемое
треб
отношение сигнал / шум с учетом интерференционных помех в радиоканале между eNB и АС в LTE; конкретные значения
SINR зависят
треб
от вида модуляции и скорости кодирования и определены спецификацией на LTE (табл. 3.5).
Таблица 3.4
Соотношение между полосой пропускания канала
и числом ресурсных блоков
Характеристика Параметр
Полоса пропускания канала
Количество выделяемых ресурсных
N
блоков
RB
Ширина полосы одного ресурсного
блока
RB
, кГцF
, МГцf
ch
1,4 3 5 10 15 20
6 15 25 50 75 100
180
64
Таблица 3.5
Запас на реализацию и требуемые отношения SINR
Вид
модуляции
QPSK
16-QAM
64-QAM
Скорость
кодирования
1/8 − 5,1
1/5 − 2,9
1/4 − 1,7
1/3 − 1,0
1/2 2,0
2/3 4,3
3/4 5,5
4/5 6,2
1/2 7,9
2/3 11,3
3/4 12,2
4/5 12,8
2/3 15,3
4/5 18,6
Минимально необходимое
отношение
SINR , дБ
треб
Запас
на реализа-
цию
2,5
При построении сети LTE чувствительность приемников eNB и АС
следует рассчитывать отдельно.
, дБI
M
3
4 3/4 17,5
Энергетический бюджет линии
Максимально допустимые потери (МДП), которые сигнал может
претерпеть при распространении от узла eNB до оборудования АС и при
этом быть успешно идентифицированным приемником АС, составляют
энергетический бюджет линии связи в сети LTE. В свою очередь, МДП
определяются как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика eNB (или АС) и минимально
необходимой мощностью сигнала на входе приемника АС (или eNB),
65
при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается устой-
P
P
P
P
чивая демодуляция сигнала в приемнике. Поскольку технические характеристики eNB и АС разные, то энергетический бюджет линии связи
определяется отдельно для нисходящего DL (от eNB до АС) и восходящего UL (от АС до eNB) направления.
Энергетический бюджет линии для нисходящего DL направления
(eNB
АС) рассчитывается по формуле
BL , дБPP G M FF
DL BS 0AS AS MIMO SF SYS
где
передатчика eNB,
принять равными
PLG
BS txBS fid BS
дБм;
2 дБ
eNB и АС соответственно,
емника АС,
дБм;
M
– ЭИИМ узла eNB,
– потери в фидере eNB, дБ (при расчетах
L
fid
);
BS AS
дБ ;i
– выигрыш за счет применения технологии
MIMO
– коэффициенты усиления антенн
,GG
– реальная чувствительность при-
0AS
MIMO, дБ (при расчетах принять равным
3 дБ
дБм;
P
);
– запас радиосиг-
F
SF
,
– мощность
txBS
нала по мощности, так как вследствие движения АС часто происходит
потеря прямой видимости между АС и eNB и возникают так называемые
медленные замирания радиосигнала (типичное значение
– запас радиосигнала по мощности, обусловленный уменьшением
F
SYS
SF
[3]);
8 дБF
уровня сигнала вследствие внутрисистемных факторов в сети LTE (типичное значение
SYS
Для восходящего UL направления (АС
[3]).
2 дБF
eNB) энергетический
бюджет линии имеет вид
,
дБм.
где
AS txAS AS
дБм;
АC,
BL , дБPP G M FF
UL AS 0BS BS MIMO SF SYS
PG
0BS
– ЭИИМ АC,
– реальная чувствительность приемника eNB,
дБм;
– мощность передатчика
P
txAS
В общем случае из-за различия технических характеристик eNB
и АС бюджеты мощности в линиях DL и UL будут разными
(BL BL ).
DL UL
Для того чтобы достичь их примерного равенства,
необходимо выбрать соответствующую схему модуляции и скорость
кодирования в восходящей линии UL и заново пересчитать значе-
BL
UL
.
ние
66
Затухание сигнала при распространении
f
в беспроводном канале
Для оценки дальности действия отдельного узла eNB необходимо
определить уровень затухания сигнала при распространении в среде.
Применительно к сети LTE при частоте передачи сигнала
2000 МГцf
спецификацией 3GPP для расчета потерь сигнала рекомендуется использовать эмпирическую модель распространения радиоволн COST231-Hata
[13, 14]:
( ) 46, 33 33, 9 lg ( ) 13,82 lg ( )
Ld f H
231 BS
C
CK H d
mH
– частота передачи сигнала, МГц; d – дистанция между eNB
где
и АС, км;
фициент:
и
C
m
3 дБ
высоту антенны АС
K
H
AS
– высота антенны eNB, м; mC – поправочный коэф-
H
BS
‒ для городов средних и крупных размеров
0 дБ
C
m
‒ для мегаполисов;
():H
1,1lg( ) 0,7 (1,56lg( ) 0,8) для средних/крупных
fH f
3, 2 lg ( ) для мегаполисов.
H
AS
Значение расстояния
44,9 6,55 lg ( ) lg( ), дБ,
AS
K
H
AS
AS
AS
BS
– коэффициент коррекции на
городов;
2
при котором выполняется равенство
,dd
DL
Ldd BL ,
231CDLDL
соответствует радиусу зоны покрытия сектора eNB в направлении DL,
а значение расстояния
Ldd
при котором выполняется равенство
,dd
DL
()BL
231 DL UL
C
,
соответствует радиусу зоны покрытия сектора eNB в направлении UL. Для соблюдения энергетического баланса необходимо,
чтобы
dd
DL UL
, в противном случае следует изменить вид модуля-
ции и/или скорость кодирования в направлении UL.
67
Площадь зоны покрытия
f
одной eNB (сайта, состоящего из
S
BS
N
sect
секторов) можно оценить как площадь правильного шестиугольника
(соты) с радиусом описанной окружности, равным
33
Sd .
BS DL
2
2
DL
:d
Важно отметить, что найденное значение площади покрытия одной
БС соответствует только условию соответствия потерь сигнала энергетическому бюджету линии.
В случае если частота передачи сигнала
2000 МГц
, то для вычисления затухания сигнала при распространении
составляет более
радиоволн рекомендуется использовать эмпирическую модель Эрцега
(Erceg, 1999), которая была рассмотрена в разд. 1.3.
Скорость передачи данных eNB
Скорость передачи данных eNB (или на сектор eNB), или емкость
соты (емкость сектора), зависит от количества ресурсных элементов, содержащих биты данных пользователей сети в одном кадре (фрейме)
LTE, используемой схемы модуляции, скорости кодирования, количества пространственных потоков, а также от объема передаваемой служебной информации в одном кадре (фрейме) LTE. В случае использования частотного дуплексного разноса (FDD) между направлениями DL
и UL в сети LTE количество ресурсных элементов
в одном кадре
N
RE
определяется по формуле:
RE OFDM car RB SFR
где
OFDM
в одном субкадре;
кадре;
N
RB
– количество OFDM-символов на одной поднесущей
14N
– количество поднесущих в одном суб-
12N
car
– количество ресурсных блоков в слоте, которое зависит от
полосы пропускания канала (см. табл. 3.2);
, симв/10 мсNNNNN
SFR
,
– количество суб-
10N
кадров в одном кадре LTE.
Из общего числа ресурсных элементов
часть ресурсных эле-
N
RE
ментов (около 29 %) отводится для передачи различной служебной
68
информации (команды управления, синхронизации и т. п.) см. рис. 3.3.
Поэтому количество ресурсных элементов в одном кадре LTE, задействованных на передачу данных пользователям сети LTE, составит
2
dataDL RE useDL
10 , симв/сNN K
,
где
useDL
– коэффициент задействования кадра LTE полезной
0,71K
нагрузкой в направлении DL.
И, наконец, учитывая схему модуляции, скорость кодирования и использование технологии MIMO, определяем скорость передачи данных
по направлению DL:
R
codDL
,
– скорость
log ( ) , бит/сRN m RN
где
m
modDL
DL dataDL 2 modDL codDL ssDL
– индекс модуляции в направлении DL;
кодирования в направлении DL;
– количество пространственных
N
ssDL
потоков в направлении DL.
Аналогично анализируя восходящее направление, несложно получить выражение для определения скорости передачи для UL-канала:
R
codUL
,
– скорость
log ( ) , бит/сRN m R
где
m
modUL
UL dataUL 2 modUL codUL
– индекс модуляции в направлении UL;
кодирования в направлении UL;
N
– число задействованных ре-
dataUL
сурсных элементов под передачу пользовательской информации в одном кадре LTE в направлении UL:
где
useUL
2
dataUL useUL RE
– коэффициент задействования кадра LTE полезной
0,65K
10 , симв/сNKN
,
нагрузкой в направлении UL.
Определение количества активных абонентов
в одном секторе eNB
В том случае если известен объем трафика
потребляемый
,V
ab
одним абонентом в сети LTE в течение заданного времени, то, пользуясь
известными оценками трафика в типовой городской сети передачи
69
данных [4, 5], несложно определить трафик на одного абонента в час
R
R
наибольшей нагрузки (ЧНН) в сети:
V
V
tr_ab_0
ab
NN
max_day day
,Гбайт/ч,
где
марно входящего и исходящего), Гбайт/мес;
в день;
– объем трафика передачи данных на одного абонента (сум-
V
ab
8N – число ЧНН
30N – число дней в месяце.
day
max_day
Для вычисления трафика на одного абонента в ЧНН в мегабитах
в секунду используется формула
3
810
VV
.
tr_ab tr_ab_0
, Мбит/с
3600
Как установлено на практике, объем входящего на абонента трафика
относительно исходящего от него трафика находится, как правило,
в пропорции80 / 20 . Тогда объем трафика передачи данных на одного
абонента в ЧНН в направлении DL составит
tr_DL tr_ab
0,8 , Мбит/с.VV
Максимальное количество активных абонентов, обслуживаемых одним сектором БС, которым может быть предоставлен заданный объем
трафика
где
DL
вычисляется с помощью выражения
,V
ab
R
DL
N
ab_sectBS
V
,
tr_DL
– скорость передачи данных по направлению DL в одном сек-
торе БС, Мбит/с.
Определение максимального размера СЗЗ узла eNB
Плотность потока мощности П в точке наблюдения М, расположенной на расстоянии
в секторе излучения антенны MIMO узла eNB,
можно вычислить с помощью выражения
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]