Часть 1. Оценка параметров зоны обслуживания сети LTE.

В настоящий момент происходит развитие мировых телекоммуникационных технологий в области мобильной связи являются разработка и внедрение стандартов четвёртого поколения (4G), обеспечивающих ещё большие скорости передачи данных (и, как следствие, повышение качества предлагаемых пользовательских услуг) при общем снижении издержек в эксплуатации телекоммуникационного оборудования. Одной из технологий, призванных для решения насущных задач современных телекоммуникаций, является технология Long Term Evolution, или, сокращённо, LTE-технология. Соответственно этому, сети мобильной связи, реализованные на основе такой технологии, называют LTE-сети.

Приведу некоторые особенности планирования сетей LTE, которые я буду использовать в своей курсовой работе:

1.Планирование сетей сотовой связи LTE осуществляется для оказания в первую очередь  тотальной услуги, т.е. исходя из заданной абонентской нагрузки по передаче речи в час наибольшей нагрузки (ЧНН).

2.При планировании сетей сотовой связи для расчета абонентской нагрузки при передаче речи с коммутацией каналов обычно используют модель системы с отказами (модель Эрланга В).

3. В сети LTE (сеть с ортогональным частотным разделением каналов) каждой абонентской станции для информационного обмена в каждом слоте назначается   определенный диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области или, иначе, ресурсная сетка.

4.Каждой абонентской станции в зависимости от полосы частот, занимаемой сетью LTE, на определенное время может быть выделено некоторое число ресурсных блоков.

5.В сети LTE при частотном планировании следует оперировать не частотами, а полосами частот.

6.Определение пространственных параметров сетей стандартов LTE связано с допустимой нагрузкой на сектор (Ас) при заданной вероятности отказа в обслуживании (блокировки вызова Рбл).

7. Величина допустимой нагрузки на сектор соты в час наибольшей нагрузки  Ас  находится  из таблиц  Эрланга. После определения величины Ас  находятся искомые пространственные параметры сетей, а именно:

•          число абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в ЧНН;

•          число базовых станций в сети;

•          радиус соты, исходя из пропускной способности базовой станции в ЧНН.

 

В своей курсовой работе я хочу произвести расчет параметров зоны обслуживания сети LTE в Пронском  районе.

Пронский район  состоит из 76 населенных пунктов: 2 города, 6 сельских поселений. Согласно переписи населения 2010 года всего на территории района проживало 31395 чел., в городах 23252. Таким образом, получается, что 74% населения проживает в городах. Соответственно, при планирование строительства станций необходимо это учитывать.

Я предлагаю покрыть связью LTE два города: Пронск и Новомичуринск. В Пронске – 3 станции, в Новомичуринске - 5 станций.

Площадь Пронского района – 1069,6 км², с севера на юг – 50 км, с запада на восток 36 км.

Но базовые станции нужно расположить так, чтобы они захватывали и расположенные вблизи городов сельские населенные пункты.

Таким образом, для объединения в сеть 8 станций придется строить ВОК между городами Пронск и Новомичуринск порядка 20-25 км (грунт) и по городу 5-10 км (подвес), для упрощения задачи можно так же считать грунт.

Так как я проектирую новую сеть LTE с нуля и не собираюсь развивать другие стандарты, то применять вышки (башни, мачты) не целесообразно.

Усреднённые высоты подвеса для размещения антенн LTE - порядка 20 -30 метров. Соответственно для решения данной задачи подойдут временные сооружения столбы (бетонные или металлические), вживую на них можно посмотреть в п. Борки, АТС - 76 в Рязани, а также по всему городу. Столб характеризуется высотой конструкции 27-30 метров, более быстрый и дешевый монтаж, по отношению к мачтам и башням.

Расчет параметров зоны обслуживания сети LTE в Пронском  районе включает в себя следующее:

1. Выбор полосы частот;

2. Расчет пропускной способности сети, расчет количества потенциальных абонентов;

3. Расчет зон радиопокрытия сети LTE;

 

1.  Выбор полосы частот

Рабочими группами Партнерского проекта 3GPP и ETSI в технических спецификациях для LTE определены 17 полос радиочастот для режима частотного дуплекса FDD и 8 полос для режима временного дуплекса TDD, которые показаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Диапазоны частот для сети радиодоступа E-UTRA

Номера рабочих диапазонов	Диапазон частот, МГц		Вид дуплекса
	Линия «вверх» (UL)	Линия «вниз» (DL)
1	1920 - 1980	2110 - 2170	FDD
2	1850 – 1910	1930 – 1990	FDD
3	1710 – 1785	1805 – 1880	FDD
4	1710 – 1755	2110 – 2155	FDD
5	824 – 849	869 – 894	FDD
6	830 – 840	875 – 885	FDD
7	2500 – 2570	2620 – 2690	FDD
8	880 – 915	925 – 960	FDD
9	1749,9 – 1784,9	1844,9 – 1879,9	FDD
10	1710 – 1770	2110 – 2170	FDD
11	1427,9 – 1452,9	1475 – 1500,9	FDD
12	698 – 716	728 – 746	FDD
13	777 – 787	746 – 756	FDD
14	788 – 798	758 – 768	FDD
17	704 – 716	734 – 746	FDD
18	815 – 830	860 – 875	FDD
19	830 – 845	875 – 890	FDD
33	1900 – 1920		TDD
34	2010 – 2025		TDD
35	1850 – 1910		TDD
36	1930 – 1990		TDD
37	1910 – 1930		TDD
38	2570 – 2620		TDD
39	1880 – 1920		TDD
40	2300 – 2400		TDD

 

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 21 января 2011 года № 57-р распределены полосы частот для перспективных радиотехнологий, включая LTE. Это диапазоны 800 – 900 МГц; 2,3 – 2,4 ГГц; 2,5 – 2,7 ГГц.

 8 сентября 2011 года на заседании Государственной комиссии по      радиочастотам      (ГКРЧ)      полосы      радиочастот       791 – 862 МГц,

2500 – 2690 МГц, 2300 – 2400 МГц определены для создания на территории Российской Федерации сетей связи LTE и последующих его модификаций.

Планирование радиосети LTE будет производиться в городах с захватом сельской местности. В связи с этим нужно подобрать соответствующий частотный диапазон. Так как города Пронск и Новомичуринск занимают небольшую территорию, то можно выбрать средний частотный диапазон, определённый для сетей LTE. 2300 – 2400 МГц вполне подойдет для выполнения этой задачи. Тип дуплекса выберем частотный – FDD.

1.2. Расчет пропускной способности сети

Емкость, или пропускную способность, сети оценивают, базируясь на средних значениях спектральной эффективности соты в определенных условиях.

Спектральная эффективность системы мобильной связи представляет собой показатель, вычисляемый как отношение скорости (в бит/с) передаваемых данных на 1 Гц используемой полосы частот (бит/с/Гц). Эта величина характеризует скорость передачи информации в заданной полосе частот. Спектральная эффективность оказывает огромное влияние на эффективность использования частотного ресурса, выделенного сети и качество услуг).

 В Табл. 1.2 приведены значения средней спектральной эффективности соты LTE FDD в макросети для случая, специфицированных 3GPP, что  расстояние между сайтами 500 м. Характеристики оценивались для диапазона 2 ГГц, полосы канала 10 МГц (10 + 10 МГц в дуплексе), при потерях на проникновение в здание 20 дБ, в среднем при 10 активных пользователях в соте. Базовая станция трехсекторная.

Табл. 1.2. Средняя спектральная эффективность в макросети

Таблица 1.2 - Средняя спектральная эффективность для сети LTE

Линия	Схема MIMO	Средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц)
UL	1×2 1×4	0,735 1,103
DL	2×2 4×2 4×4	1,69 1,87 2,67

 

 

Для системы FDD средняя пропускная способность 1 сектора базовой станции  может быть получена путем прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность канала:

          (1.2.1)        

где S – средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц);

      W – ширина канала (МГц); W = 10 МГц.

Для линии DL («вниз»):

R_DL = 2,67 · 10 = 26,7 Мбит/с.

Для линии UL («вверх»):

R_UL = 1,103 · 10 = 11,03 Мбит/с.

Средняя пропускная способность базовой станции R_eNB вычисляется путем умножения пропускной способности одного сектора на количество секторов базовой станции; число секторов eNB равно 3, т.к. базовая станция 3-ёх секционная, тогда:

 

            R_eNB = R_DL/UL*3        (1.2.2)

Для линии DL («вниз»):

R_eNB.DL = 26,7 · 3 = 80,1 Мбит/с.

Для линии UL («вверх»):

R_eNB.UL = 11,03 · 3 = 33,09 Мбит/с.

Следующим этапом будет определение количества сот в планируемой сети LTE.

Для расчета числа сот в сети необходимо определить общее число каналов, выделяемых для развертывания проектируемой сети LTE.

Весь канальный ресурс разбивается на ресурсные блоки (РБ, Resource Block, RB). Один блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц.

Общее число каналов N_к рассчитывается по формуле:

где Δf_∑ - полоса частот, выделенная для работы сети и равная 71 МГц;

Δf_к – полоса частот одного радиоканала; под радиоканалом в сетях LTE определяется такое понятие как  ресурсный   блок  РБ. Как было сказано выше, он   имеет    ширину 180 кГц, Δf_к = 180 кГц.

Далее определим число каналов N_к.сек, которое необходимо использовать для обслуживания абонентов в одном секторе одной соты:

 

     (1.2.4)                         

где N_к – общее число каналов;

N_кл – размерность кластера, выбираемое с учетом количества секторов eNB, примем равным 3;

M_сек – количество секторов eNB, т.к. базовая станция 3-х секционная .

Далее определим число каналов трафика в одном секторе одной соты N_кт.сек. Число каналов трафика рассчитывается по формуле:

                              (1.2.5)

где N_кт1 – число каналов трафика в одном радиоканале, определяемое стандартом радиодоступа (для OFDMA N_кт1 = 1...3); для сети LTE выберем  N_кт1 = 1.

     

 

 

Рисунок 1.2.1 - Зависимость допустимой нагрузки в секторе от числа каналов трафика и вероятности блокировки

 

В соответствии с моделью Эрланга, представленной в виде графика на рисунке 3.1, определим допустимую нагрузку в секторе одной соты А_сек при допустимом значении вероятности блокировки равной 1% и рассчитанным выше значении N_кт.сек. Определяем, что А_сек = 50 Эрл.

Число абонентов, которое будет обслуживаться одной eNB, определяется по формуле:

             (1.2.6)

где A₁ – средняя по всем видам трафика абонентская нагрузка от одного абонента; значение A₁ может составлять (0,04...0,2) Эрл. Так как проектируемая сеть планируется использоваться для высокоскоростного обмена информацией, то значение A₁ примем равным 0,2 Эрл. Таким образом:

Число базовых станций eNB в проектируемой сети LTE найдем по формуле:

  (1.2.7)

где N_аб – количество потенциальных абонентов. Количество потенциальных абонентов определим как 20% от общего числа жителей городов Пронск и Новомичуринск. Как было сказано выше общее число жителей 23252 человек.

Таким образом, количество потенциальных абонентов составит 4700 человек, тогда:

 

Среднюю планируемую  пропускную способность R_N  проектируемой сети определим путем умножения количества eNB на среднюю пропускную способность eNB. Формула примет вид:

 (1.2.8)

R_N = (80,1+ 33,09) · 8 ≈ 905,52 (Мбит/с).

Далее дадим проверочную оценку емкости проектируемой сети и сравним с рассчитанной. Определим усредненный трафик одного абонента в ЧНН (часы наибольшей нагрузки):

 (1.2.9)   

    

где  Т_т  - средний трафик одного абонента в месяц, Т_т = 30 Гбайт/мес;

        N_ЧНН – число ЧНН в день, N_ЧНН  = 7;

         N_д – число дней в месяце, N_д = 30.

Определим общий трафик проектируемой сети в ЧНН R_{общ./ЧНН} по формуле:

                                         R_{общ./ЧНН} = R_т.ЧНН · N_акт.аб ,                                (1.2.10)

где N_акт.аб – число активных абонентов в сети; определим число активных абонентов в сети как 80% от общего числа потенциальных абонентов N_аб, то есть N_акт.аб =4700 х 80% = 3760 абонентов.

R_{общ./ЧНН} = 0,14 · 3760 = 526,4 (Мбит/с).2

Таким образом, R_N > R_{общ./ЧНН}. Это условие показывает, что проектируемая сеть не будет подвергаться перегрузкам в ЧНН.

 

Литература:

1. http://www.moluch.ru/archive/31/3562/

2. В.Ю. Бабков. «Подходы к планированию и оптимизации сетей LTE» -  Санкт-Петербург, 2014г.

3. http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/55071629/