Подходы к планированию и оптимизации сетей LTE профессор, доктор технических наук заслуженный деятель науки РФ В. Ю. Бабков Санкт-Петербург 2013

Планирование сети мобильной радиосвязи - процесс динамического распределения ресурсов базовой сети в соответствии с определенным набором правил ( алгоритмом планирования)

Системы сотовой связи Реализация, г. Технология, G G4G 3.5G 3G 2.5G 2G

Основные технические характеристики стандарта LTE

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ LTE

Особенности LTE (1) Ряд ключевых особенностей делает LTE привлекательной технологией для операторов и пользователей – использование MIMO и OFDMA/SC-FDMA на радиоинтерфейсе значительно повышает спектральную эффективность и увеличивает скорости передачи данных. -all-IP-архитектура, оптимизированная под передачу пакетных данных, значительно снижает время отклика сети, что позволяет говорить о развитии click-bang-услуг, а также о динамическом управлении качеством обслуживания (QoS).

Особенности LTE (2) Говоря о тех скоростях, которые может обеспечить технология LTE в нисходящем и восходящем каналах (от базовой станции к мобильному устройству и обратно), важно принимать во внимание: 1.метод дуплексирования каналов, 2.имеющийся диапазон частот, 3.вид модуляции поднесущих, 4.метод помехоустойчивого кодирования данных, 5.использования технологии MIMO, 6.затраты ресурсов на управление, 7. длительность циклических префиксов и пр.

Особенности LTE (3) Принципиально новым решением для радиоинтерфейса LTE стало использование новых методов множественного доступа – OFDMA в нисходящем канале (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) и SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) – в восходящем. Важно, что весь имеющийся спектр разбивается на ортогональные поднесущие по 15 кГц (в нисходящем канале), каждая из которых в свою очередь модулируется определенным видом модуляции (от QPSK до QAM64). Минимальная полоса, выделяемая для одного абонента, содержит 12 поднесущих.

Особенности LTE (4) Очевидно, что использование многопозиционных методов модуляции требует каналов с высоким уровнем отношения сигнал/шум. Ухудшение условий радиосвязи приведет к снижению порядка модуляции, а, соответственно, и скорости передачи данных. Помимо порядка модуляции важно принимать во внимание и схему помехоустойчивого кодирования. Например, кодирование со скоростью ½ в 2 раза снижает скорости передачи данных.

Особенности LTE (5) Важнейшей особенностью сетей LTE является масштабируемость занимаемого ими частотного спектра от 1.4 до 20МГц (возможные полосы - 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц), которая способствует быстрому внедрению технологии в условиях ограниченности радиоресурсов. Чем шире полоса, тем больше будут скорости передачи данных. Ресурсный блок – это 12 поднесущих в частотной области и один тайм-слот или 7 OFDM-символов во временной области. Поднесущие по краям спектра, как правило, используются в качестве защитных интервалов.

Особенности LTE (6) В зависимости от законодательных норм, действующих в том или ином географическом регионе, для организации мобильной связи радиоспектр выделяется в разных диапазонах частот парными или непарными полосами разной ширины. Одной из основных характеристик радиоинтерфейса LTE, позволяющей задействовать его в разных ситуациях с радиочастотным обеспечением, является гибкость использования радиоспектра.

Особенности LTE (7) –Наряду с возможностью работать в разных диапазонах частот система LTE способна использовать частотные полосы разной ширины: от 1,25 (подходит, например, для начала перехода с систем CDMA xEV-DO) до 20 МГц. – Система LTE способна функционировать в парных и непарных частотных полосах, поддерживая частотный (FDD) и временной (TDD) виды дуплекса соответственно.

Особенности LTE (8) АС может передавать и принимать данные на разных частотах и в разное время, что позволяет значительно понизить требования к характеристикам дуплексного фильтра и способствует уменьшению стоимости терминальных устройств. Появляется возможность задействовать парные частотные полосы с небольшим дуплексным разносом. Решение можно реализовать почти при любом распределении спектра частот.

Передача последовательности QPSK символов в DL и UL

Особенности технологии LTE (9) 1.Каждая поднесущая модулируется посредством многократной фазовой модуляции (QPSK -4-позиционная квадратурная фазовая модуляция и 16-QAM или 64-QAM - квадратурная амплитудная модуляция). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. 2.При стандартном префиксе символьная скорость составляет символов/с, что соответствует, при FDD-дуплексе, агрегатной скорости от 28 до 84 кбит/с на поднесущую. 3. Сигнал с полосой 20 МГц содержит 100 ресурсных блоков или 1200 поднесущих, что дает общую агрегатную скорость в канале от 33,6 до 100,8 Мбит/с. 4. При формировании сигнала амплитуды «лишних» поднесущих (включая центральную поднесущую канала) считаются равными нулю.

Особенности технологии LTE (10) 1.В обратном канале LTE используется технология – SC- FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Принципиальное ее отличие заключается в том, что если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно.

Особенности технологии LTE (11) 2.Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности (пик- фактор) по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков). 3.При этом ресурсная сетка полностью аналогична прямому каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом = 15 кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5 мс – во временной. 2.Такое решение обеспечивает меньшее отношение

Немаловажным фактором при оценке возможностей LTE является применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output). Существуют несколько вариантов применения MIMO – для улучшения покрытия и увеличения абонентской емкости. Для увеличения абонентской емкости с разных антенн передается различная информация. Для улучшения покрытия с нескольких антенн передается одна и та же информация, что позволяет абонентскому устройству комбинировать сигнал с разных антенн, улучшая его качество.

Информация, передаваемая на радиоинтерфейсе, делится на служебную, которая транслируется по различным каналам управления, и на пользовательские данные. Радиоинтерфейс LTE, как это ранее отмечалось, поддерживает как частотное, так и временное (FDD и TDD) дуплексирование восходящего и нисходящего каналов, что позволяет разворачивать сети даже при отсутствии спаренных диапазонов. Большинство операторов, запустивших LTE, имеют спаренные полосы частот, поэтому в дальнейшем будем рассматривать FDD.

На рис.показан случай с коротким циклическим префиксом, занимающим один OFDM- символ и соответственно 7 символов в слоте. Для синхронизации абонентов с сетью в первом субкадре каждого кадра по каналам первичной и вторичной синхронизации (PSS и SSS) передаются специальные последовательности. Они занимают с учетом неиспользуемых ресурсных элементов по краям диапазона 72 OFDM-символа.

Назначение основных каналов управления и объем затрачиваемых на них ресурсов PSS – Primary Synchronization Channel- идентификатора соты (72 OFDM-символа) SSS – Primary Synchronization Channel- номер группы идентификаторсоты (72) PBCH – Physical Broadcast Channel-информация о ширине занимаемой полосы, номер кадра, а также конфигурация (288) PDCCH – Physical Downlink Control Channel- основной канал служебной информации, по которому передается большая часть системной информации, данные о распределении ресурсов нисходящего и восходящего каналов между абонентами RS – Reference Signal-пилот сигнал. При использовании MIMO каждая антенна передает свои пилот-сигналы PCFICH – Physical Control Format Indicator Channel- указывает, сколько OFDM-символов занимает PDCCH (12) PHICH – Physical HARQ Indicator Channel-передает информацию HARQ (12)

В технологии LTE предусмотрена диспетчеризация в восходящем и нисходящем каналах. Под диспетчеризацией понимается процесс распределения сетевых ресурсов между пользователями, передающими данные. Целью диспетчеризации является сбалансированность качества связи и общей производительности системы. В радиоинтерфейсе LTE реализована функция динамической диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи.

Динамическая диспетчеризация обеспечивает передачу данных на повышенных скоростях (за счет использования модуляции более высокого порядка, уменьшения степени кодировки каналов, передачи дополнительных потоков данных, используя параллельную передачу на нескольких РБ, и меньшего числа повторных передач), задействуя для этого временные и частотные ресурсы с относительно хорошими условиями связи. Таким образом, для передачи информации требуется меньше времени. Частотно-временная сетка OFDM помогает выбирать ресурсы в частотной и временной областях.

Для трафика сервисов, пересылающих пакеты с небольшой полезной нагрузкой и через одинаковые промежутки времени, объем трафика сигнализации, необходимой для динамической диспетчеризации, может превышать объем переданной пользователем информации. В LTE имеется в дополнение к динамической статическая диспетчеризация. Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю (в нашем случае - на этапе планирования) радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров. Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров.

Механизмы адаптации канала нужны для того, чтобы «выжать все возможное» из канала с изменяющимся качеством связи. Такой механизм «выбирает» схемы модуляции и канального кодирования в соответствии с условиями связи. От его работы зависят скорость передачи данных и вероятность возникновения ошибок в канале. Для достижения хорошего качества работы сети при разных условиях эксплуатации реализована адаптивная многопоточная передача, при которой число одновременно пересылаемых потоков данных может постоянно меняться, т.е. постоянно регулируется число РБ, одновременно используемых для передачи данных.

Если состояние канала хорошее, можно одновременно пересылать до четырех потоков данных, используя четыре РБ, достигая тем самым скорости передачи до 300 Мбит/с при ширине занимаемой полосы частот 20 МГц. Для обеспечения требуемой зоны радиопокрытия или высокой скорости передачи данных на границе сот можно передавать один поток данных в узком луче или задействовать разнесенную передачу.

В системе связи время от времени возникают ошибки при пересылке данных например, из-за шумов, помех и замирания сигнала. Для защиты от ошибок применяются методы повторной передачи искаженных или утраченных частей данных, предназначенные для гарантии качества связи. Для максимально полного использования высокоскоростного радиоинтерфейса в технологии LTE реализована динамическая двухуровневая система повторной передачи с небольшими накладными расходами на обратную связь и повторную посылку данных.

Данное решение обеспечивает малую задержку передачи пакетов с небольшими накладными расходами, при этом надежность связи гарантируется. Большинство ошибок обнаруживаются и исправляются на первом уровне. Повторная передача данных на втором уровне (что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов) происходит лишь изредка.

1.Сигналы в восходящем канале LTE являются ортогональными, а значит взаимные радиопомехи между пользователями одной соты при идеальных условиях радиосвязи отсутствуют. 2.Уровень помех, создаваемый пользователями соседних сот, зависит от местоположения излучающих АС и от уровня затухания их сигналов на пути к этим сотам. 3. Это обстоятельство учитывается при построении сот и назначения частот в них для «ближних» и «дальних» абонентов.

Чем ближе АС к соседней соте, тем выше уровень создаваемых ей помех в ней. Соответственно АС, находящиеся на более далеком расстоянии от соседней соты, могут передавать сигналы большей мощности, чем АС, расположенные рядом с ней. Ортогональность сигналов в восходящем канале LTE позволяет мультиплексировать сигналы АС разной мощности в этом канале в одной и той же соте.

Вопросы построения сетей мобильной связи стандарта LTE

Подходы к построению сети LTE (1) Сети LTE будут строиться, как правило, с максимальным использованием уже имеющихся сетей 2G/3G путем их модернизации. В этом случае целесообразно первые базовые станции LTE ставить там, где сеть 2G/3G не справляется с обслуживанием трафика и решать проблему не покрытия, а, прежде всего, наращивания емкости (пропускной способности) сети.

Подходы к построению сети LTE (2) Постепенно таких решений будет становится больше, пока они не заместят в крупных городах и в ряде других мест покрытие 2G/3G. Для клиента должно выглядеть так, что если он выходит из зоны покрытия LTE, его устройство все еще имеет возможность оставаться на связи за счет сетей 2G/3G. При использования такого подхода требуются наименьшие одномоментные инвестиции, что является оптимальным вариантом для России.

Отличия в планировании сетей GSM, WCDMA и LTE

При планировании необходимо решить вопрос, насколько далеко приемник и передатчик абонентской и базовой станций могут находиться друг от друга, чтобы уровень качества связи при этом не падал ниже требуемого уровня. Для ответа на этот вопрос в первую очередь необходимо рассчитать максимальное затухание радиосигнала на трассе, или бюджет радиолинии. Результатом расчета бюджета радиолинии является значение максимально допустимых потерь (МДПЛ). Зная МДПЛ и модель распространения сигнала, можно определить максимальное расстояние, которое может быть между приемником и передатчиком радиолинии.

При расчете вероятности поддержания радиосвязи с определенным уровнем качества необходимо учитывать оба канала связи «вверх» и «вниз». В наземной сотовой радиосвязи линия «вверх» энергетически более слабая, чем линия «вниз», так как пиковая мощность передатчика мобильной станции обычно на порядок меньше пиковой мощности передатчика базовой станции. Последовательность действий в процессе территориального планирования представлена на следующем слайде.

Подходы к построению сети LTE (3)

При синтезе сети мобильной связи необходимо решить задачу нахождения сети, удовлетворяющей требованиям качества обслуживания абонентов при заданных аппаратных и частотных ресурсах. Задачу синтеза сети целесообразно декомпозировать на ряд частных задач, в ходе решения которых обязательно участие технических экспертов и применение специального программного обеспечения. В действующих сетях мобильной связи важно обеспечить возможность увеличения пропускной способности сети при увеличении количества запросов на передачу трафика посредством управления радиоресурсами сети.

При построении начального приближения сеть должна иметь регулярную однородную структуру, т.е. узлы eNB удалены между собой на одинаковое расстояние, технические характеристики и количество приемо-передатчиков, а также высоты подвеса антенн, азимуты и углы наклона одинаковые для всех eNB. На этом этапе производится оценка бюджета потерь – показателя, характеризующего допустимые потери в радиолинии.

Для того, чтобы получить С/Ш, достаточный для обеспечения качественной связи необходимо: размещать антенны БС на одинаковой высоте, что позволит уменьшить уровень помех. При разных значения высот велика вероятность, что сигналы БС, использующие более высокое размещение антенн, будут подавлять сигналы более низких. направление излучения антенн нужно выбирать таким образом, чтобы максимизировать радиопокрытие сети. Для этого следует направлять антенны так, чтобы их максимальное излучение совпадало с нулями ДН соседних БС и обеспечивало радиопокрытие в нужных районах.

Д ля расчета радиуса ячейки, и, соответственно, площади покрытия базовой станции, необходимо знать: - бюджет радиолинии, - рабочую частоту, - модель распространения, - параметры приемника и передатчика. Радиус ячейки/зона покрытия базовой станции в свою очередь служат исходными данными для определения мест размещения площадок БС в процессе территориального планирования.

Необходимо напомнить, что при планировании сетей 2G и 3G зона покрытия БС определялась, исходя из абонентской нагрузки в ЧНН. Однозначность решения достигалось в силу того, что в сетях 2G и 3G можно использовать понятие «тотальной услуги». Это обеспечивало при заданных значениях нагрузки на сеть и заданной дисциплине обслуживания абонентов при выделенном канальном ресурсе (полосе частот) однозначность решения. В процессе планирования находился вариант, при котором обеспечивался энергетический баланс в сети, т.е. качество передачи информации по линии «вверх» и «вниз» было одинаковым.

Сети LTE по сути являются высокоскоростными сетями радиодоступа и рассчитаны на большой спектр мультимедийных услуг. При планировании сети LTE отсутствует понятие «тотальной услуги». Абонентская нагрузка на сеть будет зависеть от видов услуг и от дисциплин обслуживания абонентов, которым оказывается эти услуги связи. Поэтому в процессе планирования зоны покрытия БС целесообразно использовать не абонентскую нагрузки в ЧНН, а пиковые скорости передачи данных в каналах.

Задачу построения сети LTE можно сформулировать следующем образом: При заданной полосе частот требуется определить пространственные параметры сети (количество базовых станций и размеры их зон обслуживания) при условии, что пиковые скорости передачи данных по линии «вниз» и линии «вверх» максимальны, а число базовых станций в составе сети не превышает допустимого значения.

При планировании должны быть заданы: 1.Ширина полосы частот системы (в стандарте LTE поддерживается несколько значений полосы 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц, 20 МГц). 2.Схема дуплекса (доступны FDD, TDD и полу-FDD). 3.Метод повторного использования частот в сети, который определяет запас на интерференцию. 4.Скорость передачи данных на границе зоны обслуживания БС (гарантированная скорость передачи данных должна быть не менее 67 кбит/с). (продолжение)

5.Схема модуляции и кодирования при нахождении АС на границе зоны обслуживания (схема модуляции и кодирования является показателем, определяющим требуемое отношение С/Ш и вероятность ошибки в пакете или блоке передаваемых данных) 6.Схема MIMO (типовое решение две антенны на БС и две антенны на АС) 7.Условия распространения радиоволн, запасы на движение, затенение и проникновение.

Оценим, сколько потребуется ресурсных блоков (РБ) на линии «вверх» для поддержания минимальной скорости передачи данных (67 кбит/с). Предположим, что используется один РБ в одном подкадре. Тогда при нормальном циклическом сдвиге имеется 7 OFDM символов. Третий OFDM-символ справа от середины РБ зарезервирован для пилотного сигнала Рассчитаем скорость передачи данных, которая может обеспечиваться в данном случае: - при размещении одного РБ в подкадре, один РБ размещается в первом слоте TS0 и один – во втором слоте TS1 - число модулированных символов данных, содержащихся в одном подкадре с одним РБ, составляет 72х2 = 144. Предположим, что применяется сигнал QPSK-1/3. Тогда максимальная скорость передачи данных: 144 символа / 1 мс х 2 бита/символ х 1/3 (скорость кода) = 96 кбит/с (продолжение)

Таким образом, при условиях, которые были обозначены выше, обеспечивается максимальная скорость передачи данных – 96 кбит/с. В действительности реальная скорость будет ниже, чем 96 кбит/с из-за изменения условий распространения радиоволн, HARQ-запросов и изменения отношения С/Ш при приеме и составит, как показывают расчеты, 67 кбит/с. При этом АС размещается в автомобиле, движущимся со скоростью 60 км/ч, на БС реализован метод разнесенного приема, число HARQ-запросов равно 4 и надежность радиосвязи на границе зоны обслуживания БС составляет 70 %, а в пределах всей зоны обслуживания – не ниже 90% при соответствующем запасе на затенения.

1.Итак, мы установили, что для поддержания минимальной скорости передачи данных на границе зоны обслуживания БС 67 кбит/с достаточно одного РБ и определили при этом параметры модуляции, кодирования и величину пропускной способности. 2.Далее, используя спецификацию 3GPP , определяем требуемое отношение С/Ш при приеме на БС при заданной полосе частоте. 3.Определяем чувствительность приемника БС, исходя из плотности теплового шума ( -174 дБм/Гц), коэффициента шума приемника (5 дБ), усиления антенны (17 дБ), потерь в фидере (3 дБ) и отношения С/Ш (1,9 дБ). 4.Находим значение чувствительности приемника БС - 128,55 дБм.

Вводим: запас на помехи (интермодуляцию). Это позволяет учесть загрузку в сети и метод повторного использования частот. Очевидно, при полном использовании частот в соте и при повышении ее загрузки запас на интерференцию должен быть больше. Величина запаса обычно выбирается равной 2 дБ запас на затенение. Величина запаса связана с движением АС, с наличием зданий и сооружений и особенностями рельефа. Величина запаса 5.4 дБ гарантирует, что 90 процентов зоны обслуживания БС пригодны для ведения радиосвязи с заданным качеством в городских условиях. запас на проникновение. Использование АС в зданиях и автомобилях приводит к существенному ослаблению сигнала. Величина запаса составляет 8 дБ – при использовании АС в автомобиле и 20 дБ и более – при использовании в здании.

Исходя из максимальной мощности передатчика АС 23 дБм (при усилении антенны 0 дБ и отсутствии потерь на передачу), чувствительности приемника БС (-128,55 дБм), с учетом введенных ранее запасов находим максимально допустимые потери на линии радиосвязи (бюджет радиолинии «вверх») - 135,15 дБ. Зная МДПЛ и модель потерь при распространения сигнала, можно определить максимально расстояние, которое может быть между приемником и передатчиком, т.е. зону покрытия БС по каналу «вверх». Можно расширить зону покрытия БС за счет применение мачтовых малошумящих усилителей (TTLNA) и MIMO. Для поддержания требуемого качества связи необходимо учитывать оба канала связи и «вверх» и «вниз».

Дальность радиосвязи в канале «вниз» должна соответствовать дальности радиосвязи в канале «вверх». При этом расчет линии «вниз» существенно не отличается от расчета линии «вверх». На линии «вниз» считается, что мощность передатчика БС делится на число РБ по линии «вниз». Рассматривается наихудший случай при расчете уровня шума на входе приемника АС (учитывается вся полоса частот, в которой работает система). Задается тип используемой на передачу сигнально-кодовой конструкции. При расчете эффективно излученной мощности передатчика БС учитывается максимальная мощность передатчика БС (43дБм или 20 Вт) плюс усиление антенны(17 дБ) плюс усиление антенны за счет разнесения на передачу (3 дБ) минус потери в фидере (3 дБ).

Рассчитывается чувствительность приемника АС ( при коэффициенте шума приемника 6 дБ шумовая плотность приемника составляет 168 дБм/Гц). На основании значений шумовой плотности приемника и шумовой полосы 69,54 дБГц (полоса 10 МГц) определяют мощность шума приемника -98,46 дБм. При определении значения требуемого отношения С/Ш при задом виде сигнально-кодовой конструкции можно воспользоваться пользуются спецификацией 3GPP После определения чувствительности приемника АС находим МДПЛ. Если сравнить МДПЛ линии «вниз» (145,06 дБ при использовании на передачу одного РБ) и МДПЛ линии «вверх» (135,15 дБ), видим, что линия «вверх» ограничивает величину радиуса соты.

Таким образом, мы нашли параметры БС, их зоны обслуживания и можем определить число БС в составе однородного фрагмента сети. Однако найденное решение нельзя считать окончательным, т.к. нами не решена задача определения пространственных параметров сети (количество базовых станций и размеры их зон обслуживания) при условии, что пиковые скорости передачи данных по линии «вниз» и линии «вверх» максимальны, а число базовых станций в составе сети не превышает допустимого значения. Окончательное решение находится при заданной конфигурации сети, определенном методе повторения частот и загрузки сети в процессе решения задачи оптимизации.

Таким образом, окончательно решение может быть найдено для заданной полосы частот, в которой работает сеть, если определены: 1.Схема дуплекса 2.Метод повторного использования частот в сети, который определяет запас на интерференцию. 3.Схема MIMO 4.Условия распространения радиоволн, запасы на движение, затенение и проникновение. при изменении: 1.Скорости передачи данных на границе зоны обслуживания БС (за счет варьирования числа РБ, модуляции и кодирования в канале «вверх» ). 2.Скорости передачи данных БС (за счет варьирования числа РБ, модуляции и кодирования в канале «вниз»). (см. постановка задачи слайд 46)

Некоторые особенности при оценке скорости передачи информации в стандарте LTE

Произведем оценку затрат на управление в стандарте LTE Допустим, что нам известна скорость передачи в канале «вниз». Для того чтобы оценить реальную скорости передачи информации в канале «вниз» вычисляем, сколько ресурсных элементов передается в милисекундном кадре в зависимости от имеющейся полосы частот. Если время распространения невелико (используется короткий циклический префикс), то в одном субкадре на одной поднесущей передается 14 OFDM-символов. Таким образом, число OFDM-символов в кадре будет равно NRB (NRB – число ресурсных блоков, 10 – число субкадров в кадре, 12 – число поднесущих в ресурсном блоке).

Из общего числа символов вычтем число символов, выделенных под каналы управления. Пример. 1.4 МГц – ширина полосы частот равна 1,4 МГц, Нагрузка на сеть - высокая. Определим число ресурсных элементов – =10080 Из них используются: 72 – под PSS 72 – под SSS 288 – под PBCH =2160 – под PDCCH, PCFICH, PHICH и часть RS 348 – оставшаяся часть опорных сигналов RS (если без MIMO, при использовании же MIMO2x2 это число удвоится) Итого: 2940 OFDM-символов из занято служебными каналами, что составляет 29% частотно-временного ресурса. Таким образом, КПД системы равно71%.

Затраты на передачу каналов управления

Но это еще не окончательно. Для расчета скорости передачи данных, как это ранее было установлено, необходимо отбросить служебные символы. Далее следует отбросить еще 1/14 от их количества, занимаемою циклическим префиксом, который не несет в себе полезной информации. Оставшиеся информационные необходимо умножить на количество бит, которые они могут содержать. Число бит в символе будет определяться способом модуляции поднесущих – 2, 4 и 6 бит соответственно для QPSK, QAM16 и QAM64.

Далее необходимо учесть влияние помехоустойчивого кодирования. Как ранее отмечалось, при скорости кодирования, например, ½ половина от полученного числа бит уйдет на избыточность Если все это проделать мы найдем реальную скорость передачи информации. Это самые основные особенности, которые необходимо учитывать при оценке скорости. Выполнив подобные расчеты получаем реальную скорость передачи информации в канале «вниз».

Примеры оценки зон обслуживания и скоростных параметров в сети LTE1800

Проведем оценку зон обслуживания и скоростей передачи данных в сети LTE1800 при полосе частот, занимаемой системой, равной 10 МГц. Полагаем, что на границе зоны обслуживания используется сигнал QPSK, 16QAM при радиусе R/2 и 64QAM в непосредственной близости от БС. При распределении частот используем метод мягкого повторного использования частот, когда вся полоса частот разделена на фиксированное количество полос частот, одна из которых выделяется для абонентов, находящихся на краю соты, а остальные полосы распределяются между абонентами, находящимися на меньшем расстоянии или в непосредственной близости от базовой станции. Пример такого распределения полос частот показан ниже.

Расчет скоростей производится в двух направлениях – по линиям «вверх» и «вниз». Стандарт LTE подразумевает передачу с символьной скоростью до символов/c на при стандартном префиксе. В зависимости от вида используемой модуляции - QPSK, 16QAM или 64QAM, один символ содержит, соответственно, 2, 4 или 6 бит. При этом битовая скорость изменяется в пределах от 28 кбит/c до 84 кбит/c на поднесущую.

Зависимость величины допустимых потерь от скорости передачи данных «вверх»

Зависимость радиуса соты в радиолинии "вверх" от скорости

Анализ результатов оценки показывает, что с увеличением скорости передачи данных радиус зоны обслуживания сети LTE уменьшается. Зона обслуживания базовых станций LTE состоит из сегментов, находясь в которых, абоненты могут передавать информацию со скоростью не выше разрешенной, как это проиллюстрировано рисунком.

Распределение скоростей передачи данных в зоне обслуживания сети в направлении "вверх"

Зависимость величины допустимых потерь от скорости передачи данных в канале «вниз»

Зависимость радиуса соты в радиолинии "вниз" от скорости передачи данных

Распределение скоростей передачи данных в зоне обслуживания сети стандарта LTE в направлении "вниз"

Очевидно, что использование многопозиционных методов модуляции требует каналов с высоким уровнем отношения сигнал/шум. Ухудшение радиоусловий приведет к снижению порядка модуляции, а, соответственно, и к уменьшению скорости передачи данных. Таким образом, при плохих радиоусловиях максимальные скорости передачи данных в нисходящем канале можно смело разделить на 3 (при QPSK одновременно передаются 2 бита информации, при QAM64 – 6 бит). Помимо порядка модуляции важно принимать во внимание и схему помехоустойчивого кодирования. Например, кодирование со скоростью ½ еще в 2 раза снижает скорости передачи.

Немаловажным фактором при оценке возможностей LTE является применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output). Существуют несколько вариантов применения MIMO – для увеличения абонентской емкости, при этом с разных антенн передается различная информация, и для улучшения покрытия. В последнем случае с нескольких антенн передается одна и та же информация, что позволяет абонентскому устройству комбинировать сигнал с разных антенн, улучшая его качество. Как правило, для увеличения абонентской емкости, операторы используют первую опцию MIMO. В этом случае использование MIMO 2х2 (NMIMO=2 – порядок MIMO) приведет к увеличению скорости передачи данных в нисходящем канале вдвое. Однако реализация такой схемы потребует дополнительных частотно-временных ресурсов для передачи опорных пилотных сигналов на каждую из антенн.

Пропускная способность и емкость сети сотовой связи при передаче пакетных данных будет зависеть от поддерживаемого числа пользователей, относительного положения абонентских станций в пределах зоны обслуживания и др. Очевидно, чем ближе абонентская станция находится к центру соты, тем с большей скоростью передачи данных она может быть обслужена. Радиоинтерфейс ограничивает число доступных РБ, которое зависит от местоположения абонентской станции, скорости ее перемещения, состояния среды распространения радиоволн, интерференции от других абонентских станций и мощности базовой станции в каналах трафика.

Спасибо за внимание!