Модель для расчета уровня снижения мощности в сети 3GPP LTE с совместным использованием частот телеметрии аэропорта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Мокров Е.В.1, Гудкова И.А.2

1 Российский университет дружбы народов, г. Москва, аспирант кафедры прикладной информатики и теории вероятностей, melkor77@yandex . ru

2 Российский университет дружбы народов, г. Москва, к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной информатики и теории вероятностей, igudkova@sci.pfu.edu.ru

МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА УРОВНЯ СНИЖЕНИЯ МОЩНОСТИ В СЕТИ 3GPP LTE С СОВМЕСТНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТ ТЕЛЕМЕТРИИ

АЭРОПОРТА14

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

LTE, совместное использование частот, LSA, интерференция, снижение мощности. АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день существует проблема роста объема трафика, передаваемого в беспроводных сетях, в том числе на базе технологии LTE (Long Term Evolution). Одним из решений этой проблемы является применение регулирующей системы совместного использования лицензированных частот (Licensed Shared Access, LSA). Совместный доступ к ресурсам имеют владелец (абсолютный приоритет) и арендатор-оператор под контролем третьей стороны. Абсолютный приоритет может быть реализован за счет снижения мощности оборудования пользователей на стороне оператора. В работе построена модель для расчета уровня снижения мощности в случае, если владельцем является аэропорт, использующий частоты для телеметрии. Предложены формулы для расчета интерференции сигнала пользователей в восходящем канале с сигналом телеметрии пролетающего над покрытием оператора самолета.

Введение

Согласно данным компании Cisco Systems [1], к 2019 году объем трафика, передаваемого в мобильных сетях, будет составлять около 24.3 экзабайт в месяц. В связи с этим для обслуживания пользователей с требуемым уровнем качества обслуживания у мобильных операторов возникает необходимость задействования дополнительных ресурсов. Одним из возможных решений этой проблемы является система совместного использования лицензированного спектра (LSA) [2].

В связи с тем, что правила совместного использования операторами частот не определены, возможны различные варианты реализации алгоритмов совместного доступа. Они могут отличаться друг от друга в зависимости от числа операторов, приоритета доступа к полосе, механизмов распределения нагрузки между основной полосой оператора и полосой совместного использования [3-4], а также различными политиками реагирования оператора на необходимость доступа к полосе совместного использования владельца.

В работе рассмотрен сценарий совместного использования частот оператором-арендатором, имеющим доступ к совместной с аэропортом-владельцем полосе частот, для анализа интерференции сигналов пользователей оператора и телеметрии аэропорта. Рассматривается политика снижения мощности, т.е. при необходимости, мощность сигналов, передаваемых со стороны оператора в полосе совместного использования радиочастот, снижается, чтобы не создавать интерференции аэропорту. Предложен алгоритм и формулы для расчета уровня снижения мощности передачи пользовательского оборудования для одной соты сети.

Описание модели

В данной работе рассматривается сценарий использования LSA, при котором аэропорт имеет собственную лицензированную полосу частот, которую он использует для телеметрии самолетов при их взлете. Предполагается, что самолеты взлетают достаточно редко, т.е. одновременно через покрытие оператора взлетает только один самолет, и таким образом, полоса частот используется в течение малых интервалов времени на локализованных участках. В зоне

14 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов №№ 13-07-00953, 15-07-03608 и 15-07-03051.

действия телеметрии аэропорта расположен мобильный оператор, имеющий возможность регулировать свою интерференцию с сигналами телеметрии аэропорта. Когда частоты телеметрии аэропорта понадобятся для передачи сигнала телеметрии самолету от аэропорта, оператор снижает интерференцию со стороны соты на этих частотах вокруг текущей позиции самолета. Используется политика ограничения мощности, оператор понижает мощность оборудования пользователей, использующих LSA полосу в данном районе. Рассмотрим наихудший случай. В Табл.1 приведены используемые обозначения, которые будут дополнительно пояснены далее в тексте.

Табл. 1. Основные обозначения

Обозначение Описание

Параметры аэропорта

f Несущая частота

tx Pa Мощность передатчика в аэропорту

V0 Начальная скорость самолета

a Ускорение самолета

в Угол взлета самолета

10 Порог интерференции

Свободное пространство (free space) Модель распространения сигнала в пространстве

Y Угол поворота взлетно-посадочной полосы относительно оси x

( *а'Уа ,0) Положение аэропорта

(x (t) ,y ( t) ,z ( t )) Положение самолета в момент t

^a (t) Расстояние от самолета до аэропорта в момент t

Pa' (t) Мощность сигнала, полученного самолетом от аэропорта в момент t

ra( t) Радиус радиотени самолета (эффективный радиус интерференции) в момент t

(t) Радиус проекции радиотени самолета на вектор i в момент t

Параметры оператора

rc Радиус соты

tx Pu Мощность пользовательского оборудования

( 'c , Ус ,0) Положение базовой станции

puxx (t) Мощность сигнала, полученного самолетом от пользователя соты в момент t

dc (t) Расстояние от самолета до базовой станции в момент t

D (t) Проекция расстояния от самолета до базовой станции на вектор г в момент t

d (t) Расстояние от самолета до ближайшего пользователя в момент t

I (t) Интерференция по отношению к самолету со стороны ближайшего пользователя соты в момент t

du (t) Расстояние от самолета до ближайшего пользователя, расположенного на границе соты (в худшем случае) в момент t

D (t) Проекция расстояния от самолета до ближайшего пользователя, расположенного на границе соты на вектор г в момент t

Pux (t) Сниженная мощность сигнал передачи пользовательского оборудования в момент t

Пусть аэропорт расположен в точке (ха,уа,0) и имеет передатчик, посылающий сигналы телеметрии самолетам во время взлета. Мощность передатчика р^ , частота передачи сигнала ( .

Самолет взлетает с начальной скоростью У0 и ускорением а под углом в к горизонту вдоль траектории j (Рис. 1). Поворот взлетно-посадочной полосы i относительно введенной оси координат х составляет у . В районе аэропорта расположен мобильный оператор, использующий LSA полосу и передающий на той же частоте, что и аэропорт. Передатчик базовой станции имеет направленную антенну, не вызывающую интерференции с сигналами, принимаемыми самолетом от аэропорта. Пользовательское оборудование имеет ненаправленные антенны, передающие с мощностью р'и , и может интерферировать с пролетающими самолетами. Рассмотрим наихудший случай, когда интерферирующий с самолетом пользователь расположен в ближайшей к самолету точке соты. Базовая станция рассматриваемой соты имеет координаты (хс,ус,0) , радиус соты

гс.

Рис. 1. Сценарий использования LSA

Пользовательское оборудование интерферирует с сигналами телеметрии, при этом порог интерференции составляет 10 . Это значит, что если интерференция I (г) со стороны пользователей соты относительно самолета в момент Г достигнет значения 10 , мощность передачи пользовательского оборудования будет снижена таким образом, чтобы интерференция упала до порогового значения. В случае падения интерференции ниже порогового значения, мощность пользовательского оборудования может быть восстановлена. Следовательно, необходимо определить интервал времени, когда интерференция по отношению к самолету со стороны соты может превышать пороговое значение 10 .

Пусть (х(г),у(Г),2 (Г)) - координаты расположения самолета в пространстве в момент Г . Зная позицию аэропорта и все начальные данные самолета, его положение можно определить как

ж2 \

(1)

X (t ) = ( v о t+Ц- cos Y Icos в ,

2

У(t )=( vоt+£2-cos Y1 sin в ,

.2

z (t ) = ^ sin в. Обозначим расстояние от самолета до базовой станции

(2) (3)

2

dc (Г )=У( х (г )-Хс )Ч( у (Г)-Ус)+ 2 2 (Г) , (4)

расстояние от самолета до ближайшего пользователя, расположенного на границе соты,

а расстояние от самолета до аэропорта

^ (Г Н(X (Г)-*а)ЧУ (')-УаГ + «2('). (6)

Затухание сигнала в свободном пространстве на расстоянии d определяется формулой

FSPL (d )=201д\

(7)

где с - скорость света.

Алгоритм расчета уровня снижения мощности

С учетом введенных обозначений, алгоритм нахождения уровня снижения мощности пользовательского оборудования может быть записан в следующем виде.

1. Используя формулу (7), получим сигнал, принятый самолетом от аэропорта в момент t :

ра (t ) = ptX-FSPL ( da (t)). (8)

2. Используя формулы (7) и (8), выразим радиус радиотени самолета следующим образом:

р':-р'а'(. ^ 1о

Га( ^ = 10 20 . (9)

4 п ^

Получена максимальная область вокруг самолета, находясь в которой, пользователь может вызвать интерференцию, превышающую пороговое значение 10 .

Рис. 2. Расстояние от самолета до пользователя

3. Оценим границы временного интервала [ t¡n, tout] , при котором самолет может получать

достаточную интерференцию.

Определим проекции (Рис. 2):

Dc (t) - проекция расстояния от самолета до базовой станции на вектор г ; Ra (t) - проекция радиотени самолета на вектор г .

Тогда границы временного интервала [ tin,tout ] находятся как положительные решения уравнения:

Dc ( t )= Ra( t )+Г с . (10)

Стоит заметить, что если уравнение не имеет положительных корней, то это означает, что самолет пролетает достаточно далеко от соты, чтобы сигналы пользовательского оборудования не превышали порогового значения. В случае если уравнение имеет один положительный корень, радиотень самолета касается соты в одной точке. В этом случае интерференция со стороны пользовательского оборудования будет достигать порогового значения, однако не будет превосходить его. Таким образом, в случае когда радиотень самолета не пересекает границ соты, снижения мощности передачи пользовательского оборудования не требуется.

4. Определим расстояние от самолета до ближайшего пользователя в соте. Возможны три

случая.

Случай А. Если Dc(t)<ГС, т.е. самолет находится непосредственно над сотой. Тогда, поскольку рассматривается худший случай, ближайший пользователь будет находиться непосредственно под самолетом, таким образом, расстояние от самолета до ближайшего пользователя будет равно du (г ) = z (t) (Рис. 3А).

А Б В

Рис. 3. Случаи расположения самолета относительно соты

Случай Б. Если ГС< Dc (t)< Ra (t) + ГС, т.е. самолет располагается достаточно близко к соте, чтобы ощущать интерференцию, однако не находится непосредственно над ней (Рис. 3Б). Тогда расстояние от самолета до пользователя равно расстоянию до границы соты d (t )=du (г) .

Случай В. Если Ra (t) + rc<Dc (г), т.е. самолет пролетает достаточно далеко от соты, радиотень самолета не пересекает границы соты и получаемая самолетом со стороны пользователей интерференция не достигает порогового значения (Рис. 3В).

Можно видеть, что в случаях Б и В расстояние до ближайшего пользователя считается одинаково, однако в случае В интерференция со стороны рассматриваемого пользователя не вызовет необходимости снижения его мощности его оборудования.

Таким образом, расстояние до ближайшего пользователя в сети можно представить следующим образом

Dc (t) <г„

d (t )=

z (^

t), rc < Dc (t). 5. С учетом найденного временного интервала [t¡n, каждого момента времени из него:

'рЛ)

I (г )

(11)

Г

(] , вычислим интерференцию для

р: (Г У 0,

Ге [],

(12)

[ Гт ' Гоиг]

6. Таким образом, подставляя в выражение (12) пороговое значение интерференции 10 и раскрыв числитель согласно формулам (7) и (8), получаем формулу для расчета уровня снижения мощности пользовательского оборудования:

—& I ^

Ри( Г

I о рах (Г) + FSPL (du (Г

Гх

Ри ,

Г е [ Гт,ГоиГ ],

Г & I tin , ГоиГ I •

(13)

Выводы

В работе рассмотрена модель совместного использования полосы частот аэропортом и мобильным оператором. Получено значение интерференции, принимаемой самолетом во время взлета от одной соты, а также необходимый уровень снижения мощности передачи сигнала пользователей в соте. В докладе приведен численный анализ модели совместного использования частот, интерференции принимаемой самолетом со стороны соты и уровень снижения мощности сигнала пользовательского оборудования в соте.

Литература

1. Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2014-2019, February 3, 2015.

2. ETSI TR 103 113v1.1.1(2013-07) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); System Reference document (SRdoc); Mobile broadband services in the 2 300 MHz - 2 400 MHz frequency band under Licensed Shared Access regime.

3. Borodakiy V.Y., Samouylov K.E., Gudkova I.A., Ostrikova D.Y., Ponomarenko A.A., Turlikov A.M., and Andreev S.D. Modeling unreliable LSA operation in 3GPP LTE cellular networks // Proc. of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems ICUMT-2014 (October 6-8, 2014, St. Petersburg, Russia). - IEEE. - 2014. - P. 390-396.

4. Gudkova I.A., Samouylov K.E., Ostrikova D.Y., Mokrov E.V., Ponomarenko-Timofeev A.A., Andreev S.D., and Koucheryavy Y.A. Service failure and interruption probability analysis for Licensed Shared Access regulatory framework // Proc. of the 7th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems ICUMT-2015 (October 6-8, 2015, Brno, Czech Republic). - IEEE. - 2015. - P. 123-131.