Оценка параметров зоны обслуживания сети LTE. Часть 1 - Исправленная

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.

Основные технические характеристики стандарта LTE:

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

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, так как в Новомичуринске проживает 19309 человек, а в Пронске 3943 человека.

Площадь г. Пронск - 1710 га, из них 1137 га – земли сельхозназначения, 300 га – жилая застройка, а это 30 км².

Площадь г.Новомичуринск – 26 км².

Таким образом, для объединения в сеть 8 станций придется строить ВОК между городами Пронск и Новомичуринск порядка 20-25 км (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.

1. Планирование сети LTE производится по следующему алгоритму:

1.1. Определение бюджета канала (с учетом технических характеристик аппаратуры определяем максимальные потери при распространении);

1.2. Оценка покрытия (количество сайтов, которые должны быть развернуты для обеспечения покрытия);

1.3. Оценка емкости (количество сайтов, которые должны быть развернуты в соответствии с требованиями емкости);

1.4. Частотное планирование (полоса канала, диапазон сети);

1.5. Расчет параметров ВОЛС. Определение суммарного затухания на участке;

1.6. Ситуационное расположение eNB на территории Пронского района;

1.7. Расчет скорости передачи данных базовой станцией.

На первом этапе производится оценка энергетического бюджета потерь или максимально допустимых потерь (МДП) на линии. МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника, при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается нормальная демодуляция сигнала в приемнике.

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую необходимо подать на изотропную антенну для того, чтобы получить в точке приема точно такое же поле, которое будет получено в ней при помощи антенны с коэффициентом усиления G, на вход которой подана мощность Pвх.

РЭИИМ = Рпрд. + Gпрд. + Gпрд ан. – Lпрд.ф (1.1)

Геометрически это иллюстрирует рисунок 1.1.

Рисунок 1.1. Геометрическое представление эквивалентной изотропной излучаемой мощности.

Оптимальным решением выбора оборудования будет базовая станция фирмы Huawei DBS 3900 (рисунок 1.2). DBS 3900 представляет собой распределенную БС, состоящую из блока обработки базовых частот (BBU) и выносного радиочастотного блока (RRU).

Рис.1.2. Базовая станция фирмы Huawei DBS 3900.

DBS3900 обладает следующими преимуществами при обеспечении покрытия:

а) RRU поддерживает каскадное соединение трёх модулей RRU. Один модуль RRU устанавливается на расстоянии до 40 км от BBU;

б) статическая чувствительность канала TCH/FS составляет -113 дБм (типовое значение при нормально температуре);

в) максимальная выходная мощность RRU3004 достигает 40 Вт;

г) максимальная конфигурация до 12 сот и поддержка многополосной сети;

д) поддерживается распределённая передача и «Antenna hopping».

е) BBU3900 поддерживает 72 приёмопередатчика.

ж) DBS3900 LTE поддерживает совместное использование сетей 2G или 3G, a также поддерживает хэндовер между LTE и PS-доменом GERAN/UTRAN/CDMA2000. Это упрощает процесс развертывания сети LTE в существующей сети 2G или 3G. Работает на частотах 850/900/1800/1900 МГц (GSM, UMTS) и 1800 МГц (LTE).

Наша система LTE будет работать в диапазоне частот 1800 МГц с шириной полосы канала 20 МГц по принципу частотного разделения каналов FDD, т.е. системная полоса будет разделяться на два канала по 10 МГц для линии вверх (UL) и линии вниз (DL).

Выносной радиочастотный модуль базовой станции выберем компании Huawei – RRU 3929. Устанавливается вблизи антенны.

Рисунок 1.3. Выносной модуль 3929.

В качестве абонентской станции рассмотрим мобильный Wi-Fi роутер компании Huawei E5372 – самый миниатюрный (10х5х1,5 см) на данный момент мобильный Wi-Fi роутер четвертого поколения с поддержкой до 10 Wi-Fi пользователей. Двойной антенный разъем для подключения внешней усиленной антенны - для использования MIMO антенн.

Рисунок 1.4. Wi-Fi роутер компании Huawei E5372

Поддерживаемые стандарты и рабочие частоты:

- 4G LTE 1800 / 2100 / 2600 / 800 / 900 МГц

- 3G / 3.5G UMTS/DC-HSPA+ 1900 / 2100 / 850 / 900 МГц

- 2G GSM / GPRS / EDGE 1800 / 1900 / 850 / 900 МГц

Скорость передачи данных:

- 4G LTE FDD (вход/исход) - до 150 / 50 Мбит/сек

- 4G LTE TDD (вход/исход) - до 112 / 10 Мбит/сек

- 3G DC-HSPA+ - до 43.2 Мбит/сек

- 2G EDGE/GPRS - до 236.8 Кбит/сек

MIMO антенны 2-х коэффициентов усиления: панельная антенна 18 дБи MIMO для мест с плохим приемом сигнала или полным его отсутствием и панельная антенна 10 дБи MIMO для использования в местах неуверенного или плохого приема сети.

Выходная мощность – 18 дБм

1.1. Определение бюджета канала (с учетом технических характеристик аппаратуры определяем максимальные потери при распространении).

Произведем расчет энергетического бюджета для системы LTE c частотным дуплексом FDD, работающей в диапазоне 1800 МГц. Системная полоса рассматривается равной 20 МГц, т.е. в случае FDD системная полоса будет разделяться на два канала по 10 МГц для линии вверх (UL) и линии вниз (DL).

Вид модуляции для линии вниз – QAM64, для линии вверх – QAM32.

Рассмотрим БС, РЧ-блок каждого сектора которой оснащен приемопередатчиком, выходная мощность передатчика 40 Вт (46 дБм). РЧ-блок устанавливается в непосредственной близости от антенны. Базовая станция работает на линии вниз в режиме MIMO 2x2. Поскольку энергетический бюджет рассчитывается для абонентской станции (АС) на краю соты, т.е. принимающей сигналы от БС с низким отношением сигнал/шум (ОСШ), то БС передает сигналы на эту АС в режиме разнесенной передачи. За счет сложения мощностей сигналов двух передатчиков в пространстве можно получить энергетический выигрыш (3 дБ). В качестве АС, как говорилось выше, рассматриваем мобильный Wi-Fi роутер компании Huawei E5372, выходная мощность – 18 дБм.

Исходные данные для расчета:

Энергетические параметры Downlink:
Выходная мощность БС Рпрд., дБм	46
Коэффициент усиления антенны БС Gпрд ан., дБи	18
Коэффициент усиления антенны МС Gпрм ан., дБи	0
Потери кабеля (зависят от типа кабеля, применяемого между RF и BBU в базовой станции. В нашем случае - оптоволоконный кабель) Lпрд.ф, дБ Lпрм ан.,дБ	0.5
Выигрыш от сложения мощности передатчиков Gпрд., дБ	3
Мощность теплового шума PN, дБм	-104.4
Требуемое отношение сигнал-шум MSNR, дБ	-0.24
Коэффициент шума приемника LN, дБ	7
Запас на помехи Mпомехи, дБ	8.51
Запас на проникновение в помещение Mпроник., дБ	12
Запас на затенение Mзатен., дБ	8.7
Выигрыш от хэндовера Gхэнд., дБ	2.5
Энергетические параметры Uplink:
Выходная мощность МС Рпрд., дБм	23
Коэффициент усиления антенны БС Gпрд ан., дБи	0
Коэффициент усиления антенны МС Gпрм ан., дБи	18
Потери в кабеле Lпрд.ф, дБ Lпрм ан.	0
Выигрыш от сложения мощности передатчиков Gпрд., дБ	0
Мощность теплового шума PN, дБм	-118.4
Требуемое отношение сигнал-шум MSNR, дБ	0.61
Коэффициент шума приемника LN, дБ	2.5
Запас на помехи Mпомехи, дБ	3.8
Запас на проникновение в помещение Mпроник, дБ	12
Запас на затенение Mзатен., дБ	8.7
Выигрыш от хэндовера Gхэнд., дБ	2.5

Примечания:

1. Запас на проникновение сигнала в помещение Mпроник.:

- 22 дБ в условиях плотной городской застройки;

- 17 дБ в условиях средней городской застройки;

- 12 дБ в условиях редкой застройки (в пригороде);

- 8 дБ в сельской местности (на открытой местности в автомобиле).

2. Mзатен. – запас на затенение, дБ принимаем равным 8,7 дБ (для требуемой вероятности покрытия равной 95% и среднеквадратичного отклонения потерей на затенение 8дБ)

3. Запас на помехи - Mпомехи, дБ .При расчете используется величина запаса на внутрисистемные помехи, которая характеризует возрастание мощности шума на входе приемника.

Для расчета, принимают что запас на внутрисистемные помехи равен:

Mпомехи = -10∙log10(1-η), (1.1.1)

где η – относительная загрузка соты в восходящей или нисходящей линии.

Как видно, запас на внутрисистемные помехи это функция от загрузки соты, чем больше разрешенная нагрузка в соте, тем большую величину запаса необходимо учесть в расчете. При росте нагрузки до 100% запас на помехи стремится к бесконечности и зона обслуживания соты уменьшается до нуля. Зависимость значения данной величины от загрузки соты представлена на рисунке 1.1.3.

Рисунок 1.1.3. Зависимость запаса на внутрисистемные помехи от относительной загрузки соты

Для линии DL:

Mпомехи = -10lg(1-0.86) = 8.51 дБ,

Для линии UL:

Mпомехи = -10lg(1-0.59) = 3.8 дБ.

По формуле (1.1) рассчитаем эффективно изотропно излучаемую мощность:

Для линии вниз DL:

РЭИИМ = Рпрд. + Gпрд. + Gпрд ан. – Lпрд.ф = 46+3+18-0,5=66,5 дБм

Для линии вверх UL:

РЭИИМ = Рпрд. + Gпрд. + Gпрд ан. – Lпрд.ф = 23+0+0-0 = 23 дБм

Найдем чувствительность приемника

Sпрм = PN+MSNR+LN (1.1.2)

Для линии вниз DL:

Sпрм DL = -104,4 – 0,24 +7 = -97,6 дБм

Для линии вверх UL:

Sпрм UL = -118,4 +0,61 +2,5 = -115,29 дБм

Общее затухание по энергетическим характеристикам рассчитывается

Lсум. = РЭИИМ – Sпрм + Gпрм ан. – Lпрм ан. – Mпроник. – Mпомехи – Mзатен. + Gхэнд. (1.1.3)

Для нисходящего потока DL

Lсум.DL = 66,5 + 97,6 – 0 – 0 – 12 – 8,51 – 8,7 + 2,5 = 137,39 дБ

Для восходящего потока UL

Lсум.UL = 23 + 115,29 +18 – 0,5 – 12 – 3,8 – 8,7 + 2,5 = 133,79 дБ

Из двух значений МДП, полученных для линий DL и UL выбираем минимальное, чтобы вести последующие расчеты дальности связи и радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх.

Далее произведём расчет для вероятности битовой ошибки Рв=10^-4 для модуляции QPSK.

Рисунок 1.1.4. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-64 модуляций.

Из Рис.1.1.4. видно, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит , нужно обеспечить ОСШ равный 8.5 дБ для QPSK.

В нашем случае энергетический выигрыш равен 3дБ. Значит для QPSK нам необходимо будет обеспечить ОСШ = 8,5-3=5,5 дБ.

Оценим уровень мощности излучения передающего устройства , Мощность передатчика рассчитывается по формуле

, (1.1.4)

где - чувствительность приемника, L_сум=133,79 дБ – уже рассчитанное затухание в радиоканале для уровня вверх UL, = 0дБ – коэффициент усиления передающей антенны, = 18дБ – коэффициент усиления приемной антенны.

Чувствительность приемника равна

, (1.1.5)

где - мощность шума на входе приемника, = 7 дБ- коэффициент шума приемника, - аналоговое ОСШ. Мощность шума

(1.1.6)

где k= Дж/K – постоянная Больцмана, T=293 K – шумовая температура, - шумовая полоса приемника, которая равна , где - эффективная полоса пропускания.

Аналоговое ОСШ определяется, как

(1.1.7)

где – цифровое ОСШ = 5,5 дБ (как было сказано выше), - скорость передачи данных,

Эффективная полоса пропускания вычисляется, как

, (1.1.8)

где M – позиционность модуляции.

Проведем расчет мощности передатчика и чувствительности приемника для профиля QPSK.

По данным из таблицы , находим следующие параметры: 10 МГц, и число поднесущих p = 601.

Таблица 1.1.1. Значение параметров OFDM /QAM сигнала

Параметры		Значения параметров
Ширина спектра сигнала(BW)		1.4 МГц	3 МГц	5 МГц	10 МГц	15 МГц	20 МГц
Длительность подкадра		0.5 мс
Разнесение поднесущих		15 кГц
Частота дискретизации (тактовая частота)		1.92 МГц(1/2x3.84 МГц)	3.84 МГц	7.68 МГц(2x3.84 МГц)	15.36 МГц(4x3.84 МГц)	23.04 МГц(6x3.84 МГц)	30.72 МГц(8x3.84 МГц)
Количество точек быстрого преобразования Фурье		128	256	512	1024	1536	2048
Количество поднесущих частот		73	181	301	601	901	1201
Количество OFDM – символов в подкадре(короткие/длинные СР)		7/6
Длительность CP , мкс	Короткий CP	5.21x1’;4.69x6”
	Длинный CP	16.67/32	16.67/64	16.67/128	16.67/256	16.67/384	16.67/512
‘5.21 для первого OFDM /QAM-символа в частотно-временном блоке PRB(Physical Resource Block). “4.69 для последующих шести OFDM/QAM – символов в PRB.

Зная эффективную полосу пропускания, можем найти скорость передачи данных.

Шумовая полоса:

Мощность шума на входе приемника:

Находим аналоговое ОСШ:

Рассчитаем чувствительность приемника для линии вверх UL:

Мощность передатчика для передачи одной поднесущей для линии вверх UL:

Примечание:

Мощность передатчиков БС обычно не превышает 5-10 Вт на несущую.

Мощность передатчика для передачи всего сигнала для линии вверх UL:

Таким образом для вероятности битовой ошибки Рв=10^-4 для модуляции QPSK были рассчитаны чувствительность приемника и мощность передатчика для передачи сигнала для линии вверх UL.

1.2. Расчет зоны покрытия БС и МС по модели COST231-Хата

Могенсен с соавторами предложил расширить модели Окомура и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапазоне использование модели Окомура и Хата приводит к недооценке затухания сигнала. Модель COST231-Хата справедлива для несущих частот в диапазоне от 1,5 до 2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 м и расстоянию между ними от 1 до 20 км.

Модель позволяет оценивать затухание по формуле:

Lp = 46.3 + 33.9lg(f₀) - 13.831g(h_b) - a(h_m) + [44.9 - 6.55lg(h_b)] lg r +C (1.2.1)

где С – постоянная: для средних городов и пригородных районов с умеренной растительностью С = 0 и для центров крупных городов С = 3.

Данной формулой можно пользоваться, если выполняются следу-

ющие условия:

- f₀ : частота несущей от 1500 до 2000 МГц;

- h_b : от 30 до 200 м;

- h_m : от 1 до 10 м;

- r : от 1 до 20 км.

Примем

f₀ = 1880 МГц,

hb = 30 м,