Часть 2. Оценка параметров зоны обслуживания сети LTE.

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

 

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).

Оценим среднюю пропускную способность, который  следует ожидать в   сети LTE  в полосе 20 МГц (180*100 = 18МГц) в канале “вниз” при условии, что распределение абонентов в зоне обслуживания равномерное, передача ведется по технологии MIMO 2x2 в режиме пространственного мультиплексирования.

 В Табл. 1.3.1 приведены значения средней спектральной эффективности соты LTE FDD в макросети.

Схема MIMO 2 х 2 для линии вниз и 1 х 2 – для линии вверх,  расстояние между сайтами 500 м.

 

Таблица 1.3.1 - 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:

                                                                                         (1.3.1)        

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

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

Для линии DL («вниз»):

RDL = 1,69 · 10 = 16,9 бит/с/Гц.

Для линии UL («вверх»):

RUL = 0,735 · 10 = 7,35 бит/с/Гц

Средняя пропускная способность базовой станции ReNB 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:

 

                                                (1.3.2)

Для линии DL («вниз»):

ReNB.DL = 16,9 · 3 = 50,79 Мбит/с

Для линии UL («вверх»):

ReNB.UL = 11,03 · 3 = 22,05 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 Nк рассчитывается по формуле:

       ,                                                           (1.3.3)

где Δf - полоса частот, выделенная для работы сети и равная 95 МГц;

Δfк – 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, Δfк = 180 кГц.

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

 

                                                                   (1.3.4)                         

где Nк – общее число каналов;

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

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

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

                                                                          (1.3.5)

где Nкт1 – число каналов трафика в одном радиоканале, определяемое стандартом радиодоступа (для OFDMA Nкт1 = 1...3); для сети LTE выберем  Nкт1 = 1.

     

 

Рисунок 1.3.1 - Зависимость допустимой нагрузки в секторе от числа каналов трафика и вероятности блокировки

 

В соответствии с моделью Эрланга, представленной в виде графика на рисунке 1.3.1, определим допустимую нагрузку в секторе одной соты Асек при допустимом значении вероятности блокировки равной 1% и рассчитанным выше значении Nкт.сек. Определяем, что Асек = 60 Эрл.

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

 

               

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:

                                                                         (1.3.7)

 

где Nаб – 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 RN  проектируемой сети определим путем умножения количества eNB на среднюю пропускную способность eNB. Формула примет вид:

 

                                          (1.3.8)

 

RN = (50,79+ 22,05) · 8 ≈ 582,72 (Мбит/с).

 

Далее дадим проверочную оценку емкости проектируемой сети и сравним с рассчитанной на линии «вниз».

Таблица 1.3.2

Конфигурация системы

FDD 20 МГц

Линия

DL

Средняя спектральная эффективность системы

2,42 бит/с/Гц

Средний объем трафика eNB, Мбит/с

72,84

Средний объем трафика 8-и eNB, Мбит/с

582,72

 

Таблица 1.3.3 Оценка абонентской ёмкости

Параметр

Значение

Объем выделенного абонентского трафика, Гбайт/месяц

Ta

8

Число ЧНН в день

Nhour

15

Число дней в месяце

Ndays

30

Средняя скорость потребления трафика абонентом в ЧНН, Мбит/с

0.14

Доля трафика «вниз»

Sdl

80%

Усредненный трафик абонента в ЧНН (часы наибольшей нагрузки) на линии «вниз», Мбит/с

Tdl = Rt * Sdl

0,112

Средний объем трафика сети (8 базовых станций), Мбит/с

Tset

582,72

Число абонентов сети, чел

5202

 

Таким образом, число абонентов в сети в ЧНН (Таблица 1.3.2) Nа > Nаб (количество потенциальных абонентов). Это условие показывает, что проектируемая сеть не будет подвергаться перегрузкам в ЧНН.

 

Теперь рассчитаем пропускную способность базовой станции Псбс  для частотного диапазона 20МГц, модуляции – 64QAM и степени кодирования 4/5.

Псбс = Крб * Крэ * Кби / Прэ,                                                      (1.3.9)

где      Крб  –  количество ресурсных блоков;

           Крэ  –  количество ресурсных элементов;

           Кби  –  количество бит информаци;

           Прэ  –  продолжительность ресурсного элемента.

 

Таблица 1.3.4. Соотношение между шириной полосы частот и числом ресурсных блоков

Полоса, МГц

1,4

3

5

10

15

20

Число поднесущих

72

180

300

600

900

1200

Число РБ

6

15

25

50

75

100

 

Исходные данные:

Количество ресурсных блоков, Крб  (Табл.1.3.4)        -        100;

Частотный диапазон, МГц                                 -        20;

Модуляция                                                          -        64QAM;

Бит в символе                                                      -        6;

Степень кодирования                                         -        4/5;

Информационных бит в символе, Кби               -        6*4/5 = 4,8;

Защитный интервал                                            -        нормальный;

Ресурсных элементов в ресурсном блоке                   -        84;

Количество контрольных символов PHCCH    -        1;

Количество характеристических символов                -        8;

Количество ресурсных элементов для данных

пользователя в одном ресурсном блоке, Крэ     -        74;

Продолжительность ресурсного элемента, Прэ -        0,5 мс

 

Найдем пропускную способность БС, подставив в формулу 1.3.9 значения:

Псбс = 100 * 74 * 4,8 / 0,5 = 71,04 Мбит/с

 

Таким образом, имея в своем распоряжении полосу частот равную 20 МГц, которая соответствует 100 ресурсным блокам, базовая станция сможет одновременно обслуживать максимум 100 пользователей с предоставлением каждому одного ресурсного блока. Таким образом, каждому пользователю будет доступен канал со скоростью передачи данных приблизительно 710 кбит/с.

 

Далее рассчитаем пропускную способность для различных модуляций и степени помехоустойчивого кодирования.

Cкорость передачи данных, соответствующая каждому значению SINR получается для конкретного сценария. Для городского канала и c фиксированным межсайтовым расстоянием 1732м нисходящей линии связи для различных видов модуляции, пропускная способность для LTE показана в таблице 1.3.5.

Таблица 1.3.5 Средняя пропускная способность соты

Модуляция/Степень кодирования

SINR (min), dB

Пропускная способность соты, Мбит/с

QPSK 1/3

-0.75

4.00

QPSK 1/3

1.50

6.00

QPSK 2/3

3.50

8.00

16QAM 1/2

7.00

12.00

16QAM 2/3

9.50

16.01

16QAM 4/5

11.50

19.20

64QAM 1/2

11.50

21.00

64QAM 2/3

14.70

24.01

 

Рассмотрим таблицу для значения ОСШ 2 дБ, QPSK ½ выбран из приведенной выше таблицы, и это дает пропускную способность 6 Мбит в 2 дБ. Таким же образом, значение ОСШ 3 дБ соответствует 6 Мбит, 4 дБ, 8 Мбит и 12 Мбит 7dB в нисходящей линии.

Формула для расчета пропускной способности соты:

                                                                        (1.3.10)

где Вп – вероятность появления конкретного SINR, примем, что все SINR появляются равновероятно, т.е. 1/8 = 0,125;

Спп – средняя пропускная способность для каждого SINR.

Подставим значения в формулу:

Псс = 0,125 * (4+6+8+12+16.01+19.2+21+24.01) = 13,78 Мбит/с

1.4. Частотное планирование (полоса канала, диапазон сети)

Составим частотный план. Планируемая сеть использует диапазон частот  для линии «вверх» (UL) -1749,9 – 1784,9 (МГц), для линии «вниз» (DL) 1844,9 – 1879,9 (МГц).

Ширина частотного спектра составляет 95 МГц. Каждому сектору eNB нужно выделить 20 МГц. Таким образом, имеющаяся ширина спектра разделится на 3 части по 20 МГц, плюс защитные частотные полосы для избежания перекрытия сигналов разных секторов. Присвоим каждой из трех частей спектра условный номер и результаты составления частотного плана сведем в таблицу 1.4.1.

 

Таблица 1.4.1. - Частотный план сети LTE  в г.Пронск и г.Новомичуринск

Номер eNB

Сектор

Азимут

Радиус зоны обслуживания, км

Условный номер части частотного спектра

1

1.1

1.2

1.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

2

2.1

2.2

2.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

3

3.1

3.2

3.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

4

4.1

4.2

4.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

5

5.1

5.2

5.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

6

6.1

6.2

6.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

7

7.1

7.2

7.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

8

8.1

8.2

8.3

0

120

240

5,11

5,11

5,11

1

2

3

 

Одним из основных параметров, влияющих на качество связи, помимо выходной мощности и чувствительности устройства, является качество антенно-фидерного устройства. Антенна не вносит дополнительных шумов и не усиливает помехи, поэтому хорошая направленная антенна позволяет избежать помех по направлению за счет использования узкого луча.

Антенны для базовой станции лучше использовать секторные. Чем меньше угол (сектор) обслуживания, тем меньше помех будет «собирать» такая антенна. Наиболее распространены антенны с шириной основного лепестка 60, 90 и 120 градусов c усилением от 17 до 13dB. Обычно в вертикальной плоскости ширина лепестка составляет 6-8 градусов, то есть излучение «прижато» к земле и распространяется вдоль горизонта. Чем меньше ширина главного лепестка антенны, тем больше ее усиление, обусловленное концентрацией излучаемой энергии. При выборе антенны следует пользоваться соответствующим расчетом, чтобы вычислить необходимый наклон антенны по углу места. Слишком малый угол излучения в вертикальной плоскости может ограничить подключение клиентов вблизи от базовой станции, особенно если последняя расположена слишком высоко.

Руководствуясь данными критериями, выберем модель антенны ADU451503 фирмы Huawei с двойной кроссполяризацией, работающей в диапазонах частот 790-960/1710-2180 МГц (рисунок 1.4.1). Это многодиапазонная антенна (multiband), в ней соединены две антенные решетки, которые работают в низком и высоком частотных диапазонах. При этом, для каждого частотного диапазона предусмотрен независимый механизм изменения угла наклона диаграммы направленности. Использование таких антенн позволит сэкономить место, которое занимала на мачте антенна. В современных антеннах с помощью электрической регулировки можно менять угол наклона диаграммы направленности без изменения самой ДН и делать это дистанционно. Такая технология получила название RET – Remote Electrical Downtilt. Это было реализовано за счет внутреннего фазовращателя.

Все эти новшества позволили более точно управлять углом наклона ДН (диаграмма направленности) и устанавливать границы соты. Электрический тилт данной антенны варьируется от 0° до 10°. В таблице 1.4.2 представлены ее электрические характеристики.

 

Таблица 1.4.2. Электрические характеристики антенны

Частотный диапазон, МГц

1710-1880

Поляризация

+45°, -45°

Электрический тилт (°)

0-10

Усиление, дБи

 

10°

16,7

16,8

16,6

Горизонтальная ДН

65°

Вертикальная ДН

Импеданс, Ом

50

 

Рисунок 1.4.1.  Антенна ADU451503 фирмы Huawei

 

Из формулы (1.4.1) найдем какой должен быть механический угол наклона антенны, чтобы главный лепесток покрыл требуемое расстояние.

 

                                                                          (1.4.1)

 

где h1 – высота подвеса базовой антенны, м;

h2 – высота подвеса мобильной антенны, м;

r– расстояние (максимальная дальность связи), м.

В нашем случае:

h1 = 30м;

h2 = 3м;

r =1,62 км

 

Таким образом, для того, чтобы главный лепесток покрыл, рассчитанную максимальную дальность связи – 1,62 км, необходимо, чтобы механический угол наклона антенны был равен  1,030.

 

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

Расстояние между Пронском и Новомичуринском примерно 25км. В связи с тем, что технология LTE требует высокой скорости передачи информации и ее большого объема, целесообразнее в данном проекте в качестве транспорта связи проложить магистральный волоконно-оптический кабель.

Кабель будем прокладывать в грунте, поэтому в качестве передающей среды используем кабель марки ОКБ-Т. Его характеристики приведены в таблице 1.5.1.

 

Таблица 1.5.1 – Основные параметры кабеля марки ОКБ-Т

Параметры

Тип прокладки кабеля

в грунте

1

3

Марка кабеля

ОКБ-Т

Число оптических волокон

4 – 24

Компания – производитель волокна

Fujikura

Тип волокна

ОМ

Число пластмассовых (металлических) модулей

1 (метал.)

Диаметр трубки модуля, мм

3,0 – 6,0

Число/диаметр корделей

-/3,0 – 6,0

Внешний диаметр кабеля, мм

18,5

Масса кабеля, кг/км

436

Рабочая температура окружающей среды, °С

-40 - +50

Минимальный радиус изгиба кабеля, мм

250

Допустимое растягивающее усилие, кН

7,0

Длина поставки, км

2,0

 

Суммарные потери a на участке сети рассчитываются по формуле:

 

                              a = nрс · aрс + nнс · aнс + at +aв ,                       (1.5.1)

 

где  nрс – количество разъемных соединителей, nрс ≈ 3;

       aрс – потери в разъемных соединениях, aрс ≈ 0,3 дБ;

Примечание:

Качественный соединитель должен иметь вносимые потери в разъемных соединителях aрс при прохождении сигнала не более 0,3 дБ. На сегодняшний день в России широко применяются типоразмеры оптических коннекторов FC, SC, ST, LC. 

       nнс – количество неразъемных соединений;

       aнс – потери в неразъемных соединениях, aнс ≈ 0,05 дБ;

Примечание:

Сварочный шов, выполненный с соблюдением технологии, вносит затухание  aнс до 0,1 дБ. Я принял потери в неразъемных соединениях, aнс ≈ 0,05 дБ

       at – допуск на температурные изменения затухания оптического      волокна, at = 1 дБ;

       aв – допуск на изменение характеристик компонентов на участке со временем, aв ≈ 5 дБ.

Количество неразъемных соединений рассчитывается по формуле:

 

                                                                                     (1.5.2)

 

где  Lуч – длина участка, Lуч ≈ 25 км;

       lсд – строительная длина кабеля, согласно таблице 1.5.1. lсд = 2 км.

 

a = 3 · 0,3 + 11 · 0,05 + 1 +5 ≈ 7,45 (дБ)

 

Суммарное затухание на участке проектируемой сети между Пронском и Новомичуринском составило примерно 7,45 дБ.

 

1.6. Ситуационное расположение eNB на территории Пронского района.

Целью проектирования не является полный радиоохват территории района. Главное в данном проекте – это обеспечение устойчивым радиосигналом основной части населения Пронского района.

Как было сказано выше, основная часть населения проживает в городах Пронск и Новомичуринск. Минимальное количество базовых станций eNB, необходимых для обеспечения устойчивым радиосигналом на территории планирования составляет 8 штук.  Так как население Пронска составляет 3943 человека, а Новомичуринска – 19309 человек, то в Пронске разместим 3 базовых станции eNB (Рис.1.6.1), а в Новомичуринске – 5 базовых станции eNB (Рис.1.6.2).

 

Рис.1.6.1. Карта расположения базовых станции eNB в г.Пронск.

Рис.1.6.2. Карта расположения базовых станции eNB в г.Новомичуринск.

 

Для объединения в сеть 8 станций используется ВОК длиной 25 км между городами Пронск и Новомичуринск.

Как было рассчитано выше площадь SeNB покрытия трехсекторного сайта составляет 5,11 км2, а площадь г.Новомичуринск составляет 26км2.   Это значит, что в г.Новомичуринск будет осуществлен полный радиоохват территории с устойчивым радиосигналом.

Площадь города Пронск составляет 30км2, но основная часть жилых и административных зданий находится примерно на территории 15км2. Это означает, что и в г.Пронск также будет осуществлен полный радиоохват территории с устойчивым радиосигналом.

Таким образом, строится сеть, все eNB которой имеют следующие характеристики:

·              мощность каждого передатчика – 40 Вт;

·              высота подвеса антенны – 30 метров;

·              число приемопередатчиков TRX – 3 (по одному на каждый сектор);

·              системная полоса для одного сектора – 20 МГц (10 МГц для линии «вверх» и 10 МГц для линии «вниз»);

·              MIMO 2 х 2 для линии вниз и 1 х 2 – для линии вверх ;

·              пропускная способность: линия «вниз» - 50,79 Мбит/с, линия «вверх» - 22,05 Мбит/с.

 

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/

4. http://www.mforum.ru/arc/20110520_LTE_RNP_Varukina_180511.pdf

5. http://resurs-servis.ru/shirokopolosnyj-dostup-elte/raspredelennaya-bazovaya-stantsiya-dbs3900

6. http://network-journal.mpei.ac.ru/cgi-bin/main.pl?ar=1&l=ru&n=17&pa=6

7. http://xreferat.ru/38/2101-4-tehnologiya-razmesheniya-bazovyh-stanciiy-svyazi-standarta-dcs-1800.html

8. http://seoofis.ru/bazovaya-stanciya-huawei-dbs3900/

9.http://www.telecomnetworks.ru/vendors/airspan/basestation/air4gvshuawei/

10. http://www.nmkrupin.ru/obwimax.html

11. http://omoled.ru/publications/view/646

12. http://ru-4g.livejournal.com/331813.html

13. http://www.mforum.ru/analit/LTE.htm

14. http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm

15. http://enterprise.huawei.com/fr/products/network/wireless/lte/hw-200717.htm

16. http://450mhz.ru/mobile_hotspot/?id=166

17.http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2010/fkita/zaporozhchenko/library/article_8.htm

18. http://www.nporapira.ru/sections/4/articles/28

19. http://tkc.by/ru/products/product-14.html

20.http://elib.psuti.ru/Dashkov_Baskakov_Romodin_Metodich_Izmer_summarn_zatuh_na_elementarnom_kab_uchastke_VOLP.pdf

21. http://rpls.ru/seminar/piter2011/Babkov.ppt

22. http://xreferat.ru/38/2101-4-tehnologiya-razmesheniya-bazovyh-stanciiy-svyazi-standarta-dcs-1800.html

23. https://docviewer.yandex.ru/?url=ya-disk-public%3A%2F%2FAr2IRxfqzvDG%2F%2FBd1awco8bfAIrtyL%2F7PhNiGxjBEfM%3D%3A%2F!%20Huawei%20Antenna%202012.pdf&name=!%20Huawei%20Antenna%202012.pdf&c=554325efa205