Моделирование дальности действия и пропускной способности базовой станции мобильных сетей LTE Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

14 декабря 2011 г. 11:19

ТЕХНОЛОГИИ

Моделирование дальности действия и пропускной способности базовой станции мобильных сетей НЕ

Ключевые слою компьютерное моделирование, мобильные сети пропускная способность, дальность действия, [ft

Кукса ЕА,

Студент магистратуры,

Oxfod Brookes University,

Великобритания,

kuxa.ev@gmail.com

В последнее десятилетие сильно возрос спрос на высокоскоростные мобильные коммуникации. Абоненты мобильных операторов хотят иметь возможность пользоваться интернет-сервисами, требующими высокой скорости соединения, не обременяя себя необходимостью проводного подключения своего переносною устройства к стационарным персональным компьютерам или к сторонним сетям Wi-Fi. Четко понимая это желание, партнерский проект 3GPP выпустил релиз под номером 8, в котором впервые были описаны сети LTE. В д екабре 2009 года был выпущен релиз9, в который были включены обновления и дополнения.

Од на из главных особенностей сетей LTE — это использование многопользовательской технологии OFDMA (Orthogonal Frequency Multiple Access), в которой пользователям назначается набор каналов с ортогональными частотами. Использование ортогональных частот позволяет снизить интерференцию между каналами с соседними частотами и таким образом улучшить эффективность использования частотного спектра. В технологии LTE спектральная эффективность в 2-4 раза лучше, чем в сетях 3G, описанных в релизе 6 проекта 3GPP [1]. Также в сетях LTE имеется возможность использования много-антенной технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output). В зависимости от класса пользовательского оборудования, поддерживается технология до 4x4

Сети Long Term Evolution (LTE) приходит на смену мобильным сетям третьего поколения, показывая лучшие результаты в скорости передачи данных, в задержке прохождения сигнала, а также в эффективности использования частотного спектра. Построение плана сели невозможно без моделирования дальности действия и пропускной способности базовых станций. Предлагается программный инструмент на основе компьютерной программы Microsoft Excel, способный на основе заданных значений параметров сети и оборудования, оценить зону покрытия базовой станции и ее максимальную пропускную способность. Приводятся результаты моделирования базовой станции с типичным набором параметров. Разработанный инструмент прост в использовании и может быть использован практически на любом ПК, оснащенным программой Excel или же ее аналогом Таким образом, данный программный инструмент может заинтересовать инженеров-проектировщиков мобильных сетей, которые могут использовать его на начальном этапе проектировки, а также студентов соответствующих специальностей, заинтересованных в принципах работы сетей LTE.

MIMO, т.е. сочетание четырех передающих и четырех принимающих антенн. Использование четырех независимых потоков позволяет существенно повысить скорость передачи данных. Однако, следует отметить, что применение четырех антенн возможно только в пользовательском оборудовании высшей, пятой категории. В связи с крайне высокими требованиями этой категории, появление на рынке оборудования, отвечающего требованиям этой категории, маловероятно в ближайшее время.

Следующая отличительная черта сетей LTE

— это применение изменяемого спектра частот (1 .4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц). Это означает, что базовой станции может быть выделена любая из указанных полос частот.

Для планирования сетей LTE выпускаются дорогое и сложное программное обеспечение, но вероятно, что инженеры, студенты или продвинутые пользователи будут заинтересованы в простом инструменте для оценки пропускной способности и дальности действия базовой станции сети LTE. Для этой цели был разработан программный инструмент на основе листа Microsoft Excel который способен рассчитать дальность действия и пропускную способность базовой станции, выраженную в мегабитах в секунду, на основе введенных параметров сети и оборудования.

Для оценки дальности действия одной базовой станции, в LTE терминлогии, eNode В, необходимо составить бюджет мощности. К основным статьям мощностного бюджета следует отнести мощность передатчика базовой станции (донная цифра ограничена стандартами 3GPP) и усиление антенны (antenna gain), как зависимость от ее направленности. Здесь следует отметить, что в сетях LTE планируется использово-

ние одэпти&ных антенных решеток с возможностью фокусирования луча на оборудование пользователя. Такие антенны способны определить направление прихсда сигнала и сформировать узкий пучок по этому направлению, что позволит сильно снизить интерференцию и как следствие получил» значительное усиление сигнала [2\ Сумма мощности передатчика и усиления антенны, из которой вычтены потери в кабелях и разьемах носит название эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ). Из этой цифры необходимо вычесть чувствительность приемника в оборудовании пользователя (User Equipment, EU), которая формируется из коэффициента шума приемника, теплового шума и отношения сигнал/шум, а также учесть все прочие потери, такие кок потери из-за проникновения сигнала в автомобиль или в здание. Полученное в итоге число будет обозначать максимальные потери, которые сигнал может претерпеть при распространении от базовой станции до оборудования пользователя и все еще быть роспознан мобильным устройством Это число будет использовано в мсдели по прогнозу затухания радиоволны для различных условий. Так, для прогноза рад иуса д ействия базовой станции в небольших городах и загородных областях, используется модель Hala. Математическая формула данной модели записывается следующим образом [5]:

LH я 69,55 + 26,26log, 0(f) -- 13,87log10(hJ - a(bj +

+ [44,9 - 6,55log10(bb))logR, где L"—потери в дБ, f— несущая частота в МГц hb — высота антенны базовой станции в метрах, c^hj — коэффициент, зависящий от высоты антенны мобильного устройства и R — расстояние от базовой станции.

T-Comm #4-2011

35

Выразив из этой формулы Я и подловив наибольшие возможные потери в возможно получить максимальный радиус действия базовой станции.

Для прогнозирования радиуса действия в условиях центра города использована модель С05Г231 Валфич/Икегамм. Эю модель состоит из трех компонентов: потери в открытом пространстве, дифракция крыша-улица и потери на рассеяния и много-экранные потери. Эта модель более сложная, чем Накэ и представляет собой комбинацию эмпирической и детерминистической модели. Она учитывает не только высоту антенн передатчика и приемника, но также высоту зданий, расстояние между зданиями и ширину улицы.

В таблице 1 представлен бюд жет мощности базовой станции. Количество ресурсных блоков, используемых для передачи, каждый из ко-ротых за ни моет полосу в 180 кГц, применяется для расчета теплового шума приемника, который зависит от используемого чостотного д иапазона:

^тепл= 1° 1°д 10(кв -1-М-1 ООО), дБм. гдекв—постоянная Больцмана 138* 10'23Дж/К Т — абсолютная температура и Д? — полоса частот, Гц.

В таблице 2 представлены параметры моделей для расчета дальности действия базовой станции. Рассмотрен случай с типичными значениями высот антенн. Параметры модели СО$>Г231 предполагают нахождение базовой станции в гародг с низко этажной, довольно редкой застройкой, что позволяет сигналу распространяться на расстояние более трех кило-

Параметры моделей для расчета дальности действия

Частота. МГц 704 2000 2620

Высота антенны мобильного устройства, ч 1 1.5 10

Высота антенны баювой станции, м 10 30 200

Загородные условия (Модель llata) Рал и* с кис і ним. км 8.140

Высота крыши, м 9

Ширина улицы, м 25

Расстояние между маниями, м 40

Городские условия (Модель Cosi231) Радиус действия. км 3.041

метров.

Радиусы действия, указанные в табл. 2, рассчитанные на основе набора параметров, указанных в табл. 1, представляют собой наибольшие возможные значения, при которых мобильное устройство сможет принять и декодировать сигнал от базовой станции, однако скорость передачи данных в данном случае будет минимальной.

Высокие скорости передачи данных в сетях LTE достигаются путем применения модуляций высокого порядка- В LTE предусматривается использование трех видов модуляции сигнала: квадратурная фазовая модуляция (Quadrature Pbase Shift Keying, QPSK) и два веда квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature An^plitude Modulation, QAM) - 16QAM и 64QAM. Модуляция QPSK позволяет передавать два бита в одном символе, модуляция 16QAM — 4 бита в символе и 64QAM — 6 бит в одюм символе. Однако, для квадратурной амплитудной модуляции, состояние радиоканала должно быть достаточно хорошим, и требования к соотношению сигнал/шум очень вы-

Бюджет мощности

Таблица 1

Баювая станция Мин Значение Макс

Кол-во рссурных блоков 1 6 100

а Мощное 1ь передатчика. лБм 43 43.0 48

b Усиление антенны, дБ 15 18.0 21

с Потерн в кабелях. лЬ 1 2.0 6

d Усиление адаптивной антенной решеткой. дБ 0 0.0 10

с ЭИИМ (а Ь - с + с!). дБм 59.0

Г Коэф. Ш\ ма приемника. дБ 6 9.0 II

Ц Тепловой шум. дБм -121.3 -И 3.5 -100.8

h Уровень шума приемника (Г + в). дБм -104.5

і Отношение с и гнал/шум. дБ •5.1 -5.1 18.6

і Чувствительность приемника (Н -м) -112.6

k Поправка на интерференцию. дБ 2.5 2.5 8

1 Усиление антенны мобильного устройства. дБ -5 0.0 10

m Поглощение сигнала телом. дБ 3 3.0 5

n Поглощение куловом автомобиля. дБ 0 0 6

о Г1о( лощение стенами иания. дБ 0 0 20

Бюджет 166.1 дБ

сокие. Чем выше порядок модуляции, тем больше должно быть соотношение сигнал/шум в приемнике, для того, чтобы сообщение было успешно декодировано.

Для защиты передаваемой информации, в LTE предусмотрена система коррекции ошибок методом упреждения (Forward Error Corrector, FEC также именуется Channel Coding), которая заключается в том, что информационным битам добавляются контрольные биты, по которым, в случае потери бит информации, ложно будет восстановить начальное сообщение. Чем хуже состояние родио-конала (чем ниже соотношение сигнал/шум), тем больше контрольных бит будет добавлено в исходное сообщение. Очевидно, что контрольные не информационные биты снижают полезную скорость передачи данных. В LTE применяются следующие коэффициенты кодирования: 1/8, 1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4 и 4/5. Эти соотношения показывают количество контрольных бит в сообщении. К примеру, соотношение 2/3 показывает, что из 3-х передаваемых бит, два бита являются информационными и один — контрольным

Для каждого сочетания модуляционной техники и соотношения FEC, существует требуемое значение отношения сигнал/шум Очевидно, что чем выше порадок модуляции и чем меньше добавлено контрольных бит, тем выше требуемое соотношение сигнал/шум в приемнике, следовательно, тем ближе приемник должен находиться к передающей базовой станции.

Для каждого сочетания модуляционной техники и степени кодирования возможно рассчитать относительную чувствительность (Reference Sensitivity) приемника, воспользовавшись следующей формулой (4):

REFSENS = Р^ + NF + SINR + IM - 3, дБм. где Р^ — тепловой шум вдБм, NF (Noise figure)

— коэффициент шума в дБ, SINR (Signal to Noise and Interference Ratio) — отношение сигнала к шуму и интерференции в дБ, IM (Implementaion Margin) — запас на реализацию в дБ и ЗдБ соответствуют усилению за счет применения технологии MIMO.

36

T-Comm #4-2011

Соотношения сигнал/шум плюс интерференция для различным техник модуляции и FEC, [4].

Модуляция FEC SINK, дБ IM. дБ SINR+IM. дБ

QPSK 1/8 -5.1 2,5 -2.6

1/5 -2.9 -0.4

1/4 -1.7 0.8

1/3 -1 1.5

1/2 2 4.5

2/3 4.3 6.8

3/4 5.5 8.0

4/5 6.2 8.7

I6QAM 1/2 7.9 э 10.9

2/3 11.3 14.3

3/4 12.2 15.2

4/5 12.8 15.8

2/3 15.3 19.3

64QAM 3/4 17.5 4 21.5

4/5 18.6 22.6

Таблица 4

Расчет эффективных радиусов действия

Модуляц ИЯ FEC- SINR. дБ SINR-IM, дБ REFSENS. дБм Максима ЛЫ1ЫС потери, дБ Радиус ДСЙС1НМЯ (Модель COST23I), м Радиус действия (Модель НАТА), м

QPSK I/8 -5.1 -2.6 -112.60 166.10 3041 7393

I6QAM \Ъ 7.9 10.9 -99.60 153.10 1383 3160

64QAM 4/5 18 6 22.6 -88.90 142.40 723 1570

Моделирование пропускной способности базовой станции

Таблица 5

Параметр Мни Значение Макс

Количество ресурсных блоков 6 IS 100

Частотный диапазон. МГц 1.4 3 20

Молуляини QPSK

Бит в символе 2

Степень кодирования 1/3

Информационных бит в символе 0.667

Защитный интервал Нормальный

Ресурсных элементов в ресурсном блоке 84

Количество контрольных символов РНССН 1 1 4

Количество характеристических символов 8 8 24

Количество ресурсных элементов для данных пользователя в одном ресурсном блоке 74

Пропускная способность (Мбит/с) 1.48

В таблице 3 представлены значения SINR для расчета относительной чувствительности приемника. Из таблицы видно, что наивысшие требования по соотношению сигнал/шум плюс интерференция предъявляются к высоким порядкам модуляции с наименьшим количеством контрольных бит.

При подстановке относительной чувствительности в мощностной бюджет возможно рассчитать раоиус действия каждой малудици-онной техники. Очевидно, что наименьшим радиус будет для модуляции 64QAM с небольшим количеством контрольных бит.

В таблице 4 представлены значения эффективных радиусов действия различных типов модуляции с указанным соотношением контрольных и информационных бит. Как видно из таблицы, модуляция наивысшего порядка с наименьшим числом контрольных бит доступна только в областях, прилегающих к базовой станции, а значит наивысшие скорости передачи данных доступны пользователям только там.

Для расчета пропускной способности базовой станции в LTE сети для начала необходимо ознакомиться со структурой организации данных. Во временной области данные организованы в десяти миллисекундные рсадио-ячейки (Rodio frame). Каждая из таких ячеек состоит из десяти одно-миллисекундных под-ячеек (Subframe), которые, в свою очередь делятся на два слота продолжительностью 0.5мс. В частотной области данные сгруппированы в группы по 12 под-несущих (Sub-corner) чостот, каждая из которых имеет диапазон в 15 кГц что дает в сумме 180 кГц на группу. Группа из двенадцати под-несущих частот продолжительностью в один слот называется ресурсный блок (Resource Block). Наименьшая ресурсная единица в НЕ представляет собой одну псднесу-щую частоту продолжительность в один слот и именуется как ресурсный элемент (Resource Element). В зависимости от типа защитного интервала (Cyclic Prefix) - нормальный или расширенный, один ресурсный блок состоит из 84 или 72 ресурсных элементов соответственно [3]. Один ресурсный элемент, в зависимости от модуляционной техники может содержать 2 бита для QPSK, 4 бита для 16QAM и 6 бит для 64QAM, как это уже было сказано ранее.

Таким образом, на основании этих данных возможно рассчитать максимальную теоретическую пропускную способность базовой станции. Если мы предположим выделение базовой станции максимального частотного диапазона

— 20 МГц соответствующего 100 ресурсных блоков, использование модуляции 64QAM и стандартного защитного интервала Cyclic Prefix, скорость передачи данных может быть

T-Comm #4-2011

37

россчитана следующим образом. Каждый из 100 ресурсных блоков будет состоять из 84 ресурсных элементов, каждый из которых, в свою очередь, несет в себе 6 бит информации. Продолжительность ресурсного элемента — 0.5 мс. Таким образом, скорость передачи данных базовой станцией будет составлять:

Скорость данных = 100 [ресурсных блоков] • 84 [ресурсных элементов] • 6 [бит] /

0,5 [мс] = 100,8 Мбит/с

Однако, рос считанная скорость передачи донных будет значительно превосходить полезную скорость передачи, так как в данном рос-чете учитываются все передаваемые биты, включая контрольные биты системы коррекции ошибок (FEC), а также биты контрольной информации, передаваемой базовой станцией.

Мгновенная пользовательская скорость передачи данных будет зависеть от количества ресурсных блоков определенных пользователю, используемой модуляции и степени кодирования.

В таблице 5 представлен расчет пропускной способности базовой станции, имеющей диапазон частот 3 МГц соответствующий пятнадцати ресурсным блокам. Предполагая, что будет использована мсдуляция QPSK со степенью копирования 1/3, пропускная способность данной базовой станции составит 1,48 Мбит/с. Имея в своем распоряжен^ полосу частот, соответствующую 15 ресурсным блокам, базовая станция сможет одновременно обслуживать максимум 15 пользователей с предоставлением каждому сдного ресурсного блока, таким образом, каждому пользователю будет доступен канал со скоростью передачи данных приблизительно 100 кбит/с.

Моделирование пропускной способности базовой станции

Пропусная способность (Мбит/с) К'О.ЖЧСОВО реоренмх блоков

Модуляция /С'генень •солирования 6 IS 25 50 75 100

QPSK 4/5 1.310 3.55 5.92 11.84 17.76 23.68

I6QAM4/5 2.61 7.10 11.84 23.68 35.52 47.36

64QAM 4/5 3.92 10.66 17.76 35.52 53.28 71.04

Определенное количество ресурсов отводиться базовой станцией для контрольной информации. Так, логическому каналу PDCCH (Physical Downlink Control Chonnel) может быть отведено от1доЗ(от2до4в случае минимального чостотного диапазона 1,4 МГц) символов в первом слоте каждой под-ячейки (Subframe).

Ресурсы также выделяются под характеристические символы, которые равномерно распределены по ресурсному блоку и несут в себе информацию о базовой станции. Количество таких символов может составлять 8, 12 или 24 символа, что в результате отнимает от 4,8% до 14,3% от общего числа символов в одном ресурсном блоке.

В таблице 6 показаны пропускные способности базовой станции при различных чостот-ных диапазонах и при использовании трех модуляционных техник с фиксированной степенью кодирования. Как видно из таблицы, максимальная возможная скорость передачи донных составляет около 71 Мбит/с, что приблизительно на 30% ниже зспвленной максимальной скорости 100 Мбит/с Это означает, что приблизительно треть ресурсов используется для защиты пользовательской информации от повреждения при передаче и для контрольной информации,

передаваемой базовой станцией для всех пользователей в радиусе ее действия

В заключении, можно сказать, что разработанная модель позволяет оценить радиус действия и пропускную способность базовой станции сети LTE и использовать эти донные для моделирования различных сценариев загрузки базовой станции, Этот инструмент является доступным и не требующим больших ресурсов персонального компьютера, что позволяет использовать его в учебных и познавательных целях

Литература

1 КЬсж! F. LTE for 4G МоЫе Broadband — Нью Иор*с Cambridge University Press, 2009. — 3 с

2 lee J, Han J, Zhang J. MIMO Technologies in 3GPP LTE and LTE-Advanced / EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, ID Статьи 302092, 2009.

3 Halma H., Toakala A. LTE for UMTS — OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access - Чишесгер, Великобритания: John WJey & Sons Lid., 2009. — 89 с

4 Sessa S., Toufic lv Baker M. LTE — The UMTS long Term Evolution. — Ч«шстер, Великобрита»*»: John Wiley & Sons Ud, 2009. - 522 c.

5 Smii G, Cains D.3G Wireless Networks.- Нью Иорк: McGraw-Hil Companies, 2007. — 408 c.

Data Throughput and Coverage Modelling for LTE Mobile Network Base Station

Kuxa Evgeny,

MSc Skident, Oxford Brookes University, United Kingdom

Abstract

Long Term Evolution (LTE) networks appeared to replace the mobile networks of third generation, showing beter results in data rates, signal latency and spectrum efficiency. Building a network plon is impossible wihout modeling of range and throughput of base stolon. A software tool is suggested that is based on ihe Microsoft Excel spread sheet and the* is capable of evaluating coverage and maximum tvoughput of a base station depending on the network and equipment parameters. The developed tool is easy to use and can be run on almost any PC equipped with Microsoft Excel program or Is analogue. Thus, the presented software tool can be interesting to the mobile networks engineers, who con use it on the early stages of network design or to the students of relevant course^ who are interested in LTE networks principles of operation.

Keyword*: computer modeling, mobile networks* hroughput, coverage, LTE.

References:

1. Khan F. LTE for 4G Mobile Broadband - New York: Cambridge Universiy Press, 2009. — p. 3

2. Lee J., Han J., Zhang J. MIMO Technologies in 3GPP LTE end ITE-Advanced / EURASIP Journal on Wireless Communicciions and Networking, A/tide ID 302092, Volume 2009

3. HolmaK. Toskda A. LTE for UMTS — OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access — Chichester, IflC John Wfey & Sons Ud, 2009. — p. 89.

4. Sessia S., Toufic L, Baker M LTE — The UMTS Long Term Evolution. - Chichester, UK: John Wiley & Sons ltd., 2009. — p. 522.

5. Smflh C, Colins D. 3G Wireless Networks. - New Yak: McGraw-Hil Companies, 2007. — p. 408.

38

T-Comm #4-2011