Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. Г. Дроздова
Основы мобильных сетей LTE
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2017
УДК 621.396.2(075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент канд. техн. наук, доц. П.А. Приставка
Дроздова В.Г. Основы мобильных сетей LTE: Учебно-методическое
пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики; каф. телекоммуникационных сетей и вычислительных средств. –
Новосибирск, 2017. – 43 с.
Учебно-методическое пособие содержит материалы для подготовки и
проведения лабораторных занятий по курсу «Беспроводные технологии и
компьютерные сети» со студентами 1 курса магистратуры. В пособие
включены типовые задания, а также справочный теоретический материал,
позволяющий студентам изучить принципы построения, проектирования
мобильных сетей 4-ого поколения LTE, а также основы их физического и
канального уровня.
Для направления 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника».
© Дроздова В.Г., 2017
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ...................................................................... 4
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6
Лабораторная работа №1. Изучение OFDM-технологии. ...................................... 7
Лабораторная работа №2. Изучение MAC-протокола сетей LTE ....................... 13
Лабораторная работа №3. Проектирование радиопокрытия и архитектуры
мобильных сетей LTE. ........................................................................................... 23
Лабораторная работа №4. Расчет пропускной способности и абонентской
емкости мобильных сетей LTE для различных типов сервисов. ......................... 35
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................ 42
3
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
БС – Базовая станция
БПФ – Быстрое Преобразование Фурье
МС – Мобильная станция
ОБПФ – Обратное Быстрое Преобразование Фурье
ЧНН – Час Наибольшей Нагрузки
3GPP – Third Generation Partnership Project
BER – Bit Error Rate
BLER – Block Error Rate
BPSK – Binary Phase Shift Keying
CQI – Channel Quality Indicator
CP – Cyclic Prefix
CRC – Cyclic Redundancy Check
CSFB – Circuit Switch Fall Back
DL – Downlink
FDD – Frequency Division Duplex
FDMA – Frequency Division Multiple Access
GSM – Global System for Mobile
GUMMEI – Global Unique MME Identity
HARQ – Hybrid Automated Repeat Request
HSS – Home Subscriber Server
IFFT – Inverse Fast Fourier Transform
IMS – IP Multimedia System
IMSI – International Mobile Subscriber Identity
IP – Internet Protocol
LTE – Long Term Evolution
MAC – Medium Access Control
MAPL – Maximum Allowed Path Loss
MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service
MCS – Modulation and Coding Scheme
MIMO – Multiple Input Multiple Output
MME – Mobility Management Entity
MSS – Mobile Switching System
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OSI – Open Systems Interconnection
PCRF – Policy Charging Rule Function
PLMN – Public Land Mobile Network
PDCP – Packet Data Convergence Protocol
PDN – Packet Data Network
PHY – Physical layer (OSI)
PLMN – Public Land Mobile Network
PRACH – Physical Random Access CHannel
4
RB – Resource Block
RLC – Radio Link Control
ROHC – Robust Header Compression
RRC – Radio Resource Control
RTP – Real Time Protocol
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
QCI – Quality Class Identifier
QoS – Quality of Service
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying
SC-FDMA – Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SINR – Signal to Interference plus Noise Ratio
SMS – Short Message Service
SNR – Signal to Noise Ratio
SRVCC – Single Radio Voice Call Continuity
TDD – Time Division Duplex
TDMA – Time Division Multiple Access
TTI – Time Transmission Interval
UDP – User Datagram Protocol
UE – User equipment
UL – Uplink
UMiNLOS – Urban Micro Non-Line-Of-Sight
VoIP – Voice over IP
WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access
5
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы, описанные в настоящем учебно-методическом
пособии, ориентированы на выполнение студентами магистратуры,
обучающимися по направлению 09.04.01 «Информатика и вычислительная
техника» в рамках изучения дисциплины «Беспроводные технологии и
компьютерные сети».
Выполнение лабораторных работ направлено на развитие следующих
компетенций:
– способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и
приборов (ОК-8);
– владение методами и средствами получения, хранения, переработки и
трансляции информации посредством современных компьютерных технологий,
в том числе в глобальных компьютерных сетях (ОПК-5);
– владение существующими методами и алгоритмами решения задач цифровой
обработки сигналов (ПК-5).
В ходе выполнения данных лабораторных работ студентами изучаются:
– основы построения и базовой конфигурации сетей LTE;
– методы проектирования радиопокрытия в сетях 4-ого поколения;
– архитектура и ключевые интерфейсы мобильных сетей LTE;
– формирование OFDMA-сигнала;
– основы физического и канального уровня сетей LTE;
– принципы динамического распределения радиоресурсов в сетях LTE,
реализованное на MAC-подуровне канального уровня;
– расчет пропускной способности и абонентской емкости в сетях LTE.
Кроме того, студенты овладевают навыками работы с такими
программными средами как WireShark и MathCAD.
6
Лабораторная работа №1. Изучение OFDM-технологии
1.
Цель работы
Получить представление об OFDM-сигналах, каким образом они
формируются, и как помехи в радиоканале влияют на величину BER (Bit Error
Rate).
2.
Краткие теоретические сведения
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – современный метод
физической
передачи
данных посредством
ортогонально-частотного
разделения несущих [1–3], активно применяемый в сетях мобильной,
широкополосной связи и телевидении (LTE, WiMAX, Wi-Fi и пр.). В рамках
курса «Беспроводные технологии и компьютерные сети» представляет интерес
изучение особенностей формирования, передачи и приема OFDM-сигналов.
На рисунке 1 представлена общая структура OFDM-передатчика LTE с
поддержкой MIMO (Multiple Input Multiple Output – технология передачи и
приема данных с использованием нескольких антенн). Поток битов данных
кодируется, шифруется (необязательно), а затем поступает на логический блок,
отвечающий за его распараллеливание по имеющимся поднесущим частотам.
Разнос между поднесущими частотами в LTE составляет 15 кГц для
большинства типов данных, 7.5 кГц – для услуг MBMS, 1.25 кГц – для канала
случайного доступа PRACH. Количество поднесущих зависит от ширины
полосы частот (1.4, 3, 5, 10, 15 или 20 МГц) и варьируется от 72 до 1200.
Подробнее узнать об особенностях реализации радиоинтерфейса LTE можно в
[4].
Упрощенная схема OFDM-передатчика LTE
0011
01
1101
Модулятор
поднесущей
BPSK, QPSK,
QAM16, QAM64
OFDMсимвол
Добавление
циклического
префикса CP
Приемопередающие
антенны (MIMO)
Квадратурный
модулятор
несущей
частоты
...
Быстрое обратное преобразование
Фурье IFFT
Модулятор
поднесущей
BPSK, QPSK,
QAM16, QAM64
...
Кодированный
битовый поток
0011010011011101
Распараллеливание
последовательного битового потока
по поднесущим
Биты
001101
Несущая частота
(например, 2.1,
2.4, 1.9 ГГц)
Разнос между поднесущими в LTE составляет 15 кГц
(7.5 кГц для MBMS и 1.25 кГц для PRACH Канала)
Блок OFDM-модуляции
Рис. 1. Упрощенная схема OFDM-передатчика LTE с поддержкой MIMO
На блок-схеме, показанной на рисунке 1, показано, что каждая отдельная
поднесущая модулируется BPSK-/QPSK-/QAM16-/QAM64-модулятором в
зависимости от текущих радиоусловий. По сути, это математическая операция,
преобразовывающая несколько бит (в зависимости от типа модуляции) в
7
комплексное число, которое затем подается в блок обратного быстрого
преобразования Фурье (ОБПФ или IFFT), где они суммируются и умножаются
на определенную промежуточную частоту. Таким образом, на выходе блока
IFFT получается временное представление сигнала или OFDM-символ, который
затем частично копируется и удлиняется путем добавления скопированной
части в начало символа (CP – Cyclic Prefix – циклический префикс), после чего
модулирует несущую частоту в блоке квадратурного модулятора и передается
на антенну (или антенны в случае MIMO) и отправляется на радиоинтерфейс.
На приемной стороне (не показано на рисунке 1) происходят аналогичные
обратные процедуры (прием сигнала, демодуляция, отделение циклического
префикса, прямое преобразование Фурье и пр.).
MIMO – это важнейшая технология для увеличения спектральной
эффективности в сетях LTE, основная идея которой состоит в том, что биты
данных делятся между несколькими передающими (Input) антеннами и
отправляются одновременно в общей полосе частот. Для того чтобы понять
принцип работы MIMO, рассмотрим рисунок 2.
h11
h12
i1
Блок
предварительного
кодирования
сигнала
o1
h21
h22
i2
o2
Базовая станция LTE (eNodeB)
Воздействие аддитивных помех
(+Noise) И мультипликативных
помех (*H)
H=
h11 h12
h21 h22
I=
i1
- Вектор передаваемых данных.
i2
O=
o1
- Вектор принятых данных с учетом помех.
o2
Пользовательский
терминал
- Канальная матрица мультипликативных помех;
измеряется пользователем на пилотных сигналах.
Уравнение MIMO в матричной форме:
O=I*H+Noise
или
o1= i1*h11+i2*h21+Noise
o2= i2*h22+i1*h12+Noise
Noise=Noise Figure + Тепловые шумы приемника.
Рис. 2. Иллюстрация работы MIMO в сетях LTE
MIMO реализуется на сетях в нескольких режимах. Первый режим – это
режим пространственного мультиплексирования данных. В этом случае каждая
антенна передает независимый поток битов данных, что увеличивает
пропускную способность. При ухудшении радиоусловий обе антенны могут
дублировать передачу идентичного потока данных, улучшая отношение SNR.
На рисунке 2 показан случай, когда данные с обеих передающих антенн
предназначены одному пользовательскому терминалу – это пример режима
Single User MIMO (SU-MIMO). Существует также режим Multi User MIMO
8
(MU-MIMO), когда eNodeB передает данные разным абонентам, увеличивая
емкость сети.
И, наконец, рассмотрим подробнее роль преобразования Фурье в
формировании сигналов.
Существует временное (A(t) – изменение амплитуды сигнала A во
времени t) и частотное представление радиосигнала (A(f) и φ(f) – зависимости
амплитуды и фазы сигналов от частоты f). Очевидно, что временное
представление сигнала отражает интенсивность сигнала во времени. Частотное
представление сигнала – это его спектр, показывающий, насколько широка
частотная полоса, занимаемая данным сигналом. Это важно знать для того,
чтобы избегать помех, создаваемых одними технологиями другим. Задача
прямого преобразования Фурье – получить частотное представление
радиосигнала, имея его временные значения. И наоборот – обратное
преобразование
Фурье,
зная
частотную
характеристику
сигнала,
восстанавливает его временной вид. Познакомиться более детально с
преобразованиями Фурье можно в [5–6].
Существуют разновидности преобразования Фурье, называемые быстрым
преобразованием Фурье (БПФ или FFT) и обратным быстрым преобразованием
Фурье (ОБПФ или IFFT), которые, как правило, чаще используются в цифровой
обработке сигналов, благодаря меньшим вычислительным затратам на их
осуществление. Однако, количество элементов (в контексте LTE – число
поднесущих) должно быть равно 2k, где k=0,1,..,∞.
Уравнение для БПФ имеет вид (1):
( )=∑
( )
,
(1)
где N – размерность преобразования Фурье, F(x) – сигнал в частотной области и
f(n) – сигнал во временной области.
ОБПФ имеет вид (2):
( )= ∑
( )
.
(2)
Ключевыми достоинствами, благодаря которым OFDM так часто
используется в беспроводных сетях, считаются устойчивость к частотноселективным помехам (это узкополосные помехи, возникающие в городских
условиях, вызванные переотражениями сигналов от зданий и прочих
препятствий) и относительная простота реализации.
3.
Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентами изучается влияние
помех в радиоканале на вероятность успешного декодирования данных,
передаваемых по технологии OFDM с использованием QPSK-модуляции в
среде MathCad (или Octave при отсутствии лицензии на MathCad).
Порядок выполнения работы:
На рисунке 3 показана функциональная блок-схема поэтапного алгоритма
выполнения лабораторной работы.
9
(1) Входные
параметры
(8) Вычисление
вероятности битовой
ошибки BER И построение
функции BER(SNR)
(2) Генерация случайной
последовательности битов
(7) Жесткое декодирование
полученных битов данных
(3) Формирование
модуляционных QPSKсимволов
(6) БПФ на приемной
стороне
(4) Формирование OFDMСимволов (ОБПФ)
(5) Генерация шумов в
радиоканале и «зашумление»
полезного сигнала
Рис. 3. Функциональная блок-схема алгоритма выполнения лабораторной
работы
1.
Разрабатываемая программа должна иметь два входных параметра –
число битов данных (N=512) и переменное значение отношения сигнала к
шуму SNR (варьируется от -5 до 25), от которого будет необходимо построить
зависимость битовой ошибки BER.
2.
Используя генераторы случайных чисел, сформируйте массив нулей
и единиц размерностью N.
3.
Исходя из случайных значений битов, сгенерированных в п. 2,
сформируйте QPSK-символы, передаваемые на каждой поднесущей, в
соответствии с таблицей 1.
Табл. 1. Соответствие QPSK-символов различным битовым комбинациям
1-й бит
2-й бит
QPSK-символ
0
0
+1+j
0
1
-1+j
1
1
-1-j
1
0
+1-j
Количество сформированных символов равно N/2 (один QPSK-символ
содержит два бита данных). В результате получается массив значений QPSKi,
где i=0..N/2-1.
4.
Выполните обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ),
чтобы получить временное представление сигнала, как показано ниже (3).
Входными данными для которого будут значения QPSKi, модулирующие
поднесущие, сформированные в п.3
10
( )=∑
∙
∙
/
∙
.
(3)
5.
Для генерации шумов (искажений сигнала) в радиоканале,
воспользуйтесь формулами (4) и (5). Тем самым, вы добавляете шумы к
реальной и мнимой составляющей полезного сигнала и получаете искаженный
сигнал Signal_Plus_Noise.
=
∙ ∙
_
( )+
,
. ∙
_
(4)
( )=
(1) ∙ −2 ∙ ln
∙ cos 2 ∙
(1)
+ ∙
(1) ).
(1) ∙ −2 ∙ ln
∙ cos (2 ∙
(5)
6.
Сымитируйте прием зашумленного сигнала, выполнив прямое
быстрое преобразование Фурье (ПБПФ), как показано ниже (6). В результате
должен получиться массив значений QPSKNoisy.
=
/
∙∑
_
_
( )∙
∙
/
∙
.
(6)
7.
Выполнив прямое БПФ (п. 6), вы получаете массив комплексных
значений, несущих заданную битовую последовательность. Для получения
битовых значений требуется выполнить сравнение реальной (Re) и мнимой (Im)
частей этих комплексных чисел с нулем, чтобы понять в какой четверти
находится точка сигнального QPSK-созвездия, как показано на рисунке 4.
Im
01
00
Если реальное и мнимое
значение полученного
сигнала больше 0, то
передавалось «00»
Re
11
10
Рис. 4. Демодуляция QPSK-сигнала
8. Выполнив демодуляцию QPSK-сигналов на каждой поднесущей,
необходимо провести побитовое сравнение исходной и полученной битовой
11
последовательностей для того, чтобы определить вероятность битовой ошибки
BER. Все описанные выше операции осуществляются для всех заданных выше
значений SNR, а затем строится зависимость BER(SNR), как показано на
рисунке 5.
Рис. 5. Зависимость вероятности битовой ошибки при передаче OFDM-сигнала
с QPSK-модуляцией поднесущих от отношения сигнала к шуму
9. Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
алгоритмами программы, и графиками, демонстрирующими успешность
выполнения, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
4. Контрольные вопросы и задания
1.
Постройте зависимость вероятности битовой ошибки от отношения
сигнала к уровню шума SNR для BPSK и QAM16 модуляций. Сравните
полученные результаты.
2.
Для чего используется ОБПФ при формировании OFDM-сигнала в
блоке передатчика?
3.
Какими преимуществами обладает технология OFDM по сравнению
с FDM?
4.
В каких беспроводных технологиях используется OFDM?
5.
Какой вид имеет спектр OFDM сигнала и как его получить?
6.
Чем отличается OFDM от OFDMA?
7.
Что такое SC-FDMA, и какими преимуществами обладает этот
метод формирования сигнала?
8.
Какие режимы MIMO используются в LTE-сетях?
12
Лабораторная работа № 2. Изучение MAC-протокола сетей LTE
1. Цель работы
Получить представление об основных функциях, реализуемых MACпротоколом сетей LTE, а также познакомиться с базовыми методами
динамического
распределения
ресурсов
радиоинтерфейса
между
пользователями (Scheduler).
2. Краткие теоретические сведения
Мобильные сети LTE могут предоставлять своим абонентам
одновременно различные виды сервисов, с разными требованиями к скоростям
передачи данных, к времени задержки и пр. Функция, отвечающая за
управление радиоресурсами в LTE, называется «Планировщик» (Scheduler) и
реализуется на подуровне управления доступом к среде MAC (Medium Access
Control). Важно отметить, что планировщики не стандартизованы, то есть в
спецификациях [7] нет рекомендаций по реализации вендорами алгоритмов
распределения радиоресурсов (vendor-dependent или vendor-specific).
Ключевыми показателями эффективности планировщиков считаются
пропускная способность и вероятность блокировки каналов управления.
В данной лабораторной работе требуется разработать имитационную
модель планирования радиоресурсов. Существует несколько подходов к
распределению радиоресурсов в сетях LTE, на основе которых производители
оборудования строят собственные решения:
 Round Robin («по очереди»). Этот метод разделения ресурсов
подразумевает, что всем пользователям, претендующим на ресурсы
радиоканала, будут назначаться ресурсные блоки по очереди, не
учитывая их радиоусловия и требования к качеству обслуживания QoS
(Quality of Service). К преимуществам метода можно отнести
справедливость в распределении ресурсов, но его недостатком
является низкая пропускная способность сети и неудовлетворения
параметрам QoS.
 Maximum Carrier/Interference (или Maximum CQI (Channel Quality
Indicator)). Данный подход предполагает выделение ресурсов в первую
очередь абонентам, находящимся в лучших радиоусловиях, что
несправедливо по отношению к абонентам в плохих условиях,
особенно при высокой нагрузке на сеть. Однако именно данный
подход максимизирует пропускную способности соты.
 Proportional Fair. Этот метод более компромиссный по сравнению с
перечисленными выше. Путем введения специальных весовых
коэффициентов есть возможность учесть и текущую скорость
передачи данных пользователя, и его радиоусловия, и требования к
QoS.
Ресурсы, которые делятся между абонентами в нисходящем канале – это
совокупность поднесущих и временных символов, объединенных в ресурсные
13
блоки (один ресурсный блок, минимально выделяемый абоненту – это 12
поднесущих и 14 OFDM-символов во времени = 1 мс). Для того чтобы
уведомить абонента о том, что ему назначен ресурсный блок, используется
канал управления PDCCH (Physical Downlink (DL) Control Chanel), который
«ворует» от 1 до 3 OFDM-символов канала трафика в начале каждой
милисекунды или слота (TTI). В LTE (как и во многих других технологиях
множественного доступа, таких как, например, GSM) существует проблема,
известная как «blocked PDCCH», т.е. блокировка каналов трафика PDSCH
(Physical DL Shared Channel), обусловленная отсутствием свободных каналов
управления. Речь идет о ситуации, когда имеются в достаточном количестве
ресурсы для передачи данных, поступают запросы от абонентских станций на
выделение ресурсов, но нет свободного канала управления, в котором
планировщик мог бы сообщить о назначении этих ресурсов пользователям.
Ключевым
достоинством
технологии
LTE
считается
ее
масштабируемость (scalability), заключающаяся в том, что оператор может
развернуть сеть LTE в полосе частот шириной от 1.4 до 20 МГц, практически в
любом лицензируемом диапазоне, а также в режиме TDD (Time Division
Duplex) или FDD (Frequency Division Duplex), то есть либо в неспаренной
полосе частот, либо в двух спаренных полосах частот (одна под UL, другая под
DL), в зависимости от имеющейся лицензии. При временном разделении
восходящего и нисходящего каналов TDD одна полоса частот (например, 20
МГц) делится по очереди между передачей в направлении вниз DL и вверх UL.
Количество временных слотов под UL и DL в режиме TDD конфигурируется
оператором и не меняется динамически, чтобы избежать неконтролируемой
интерференции между восходящим и нисходящим каналами. В таблице 2
представлен сравнительный анализ технологий TDD и FDD, перечислены
основные достоинства и недостатки.
Табл. 2. Сравнение технологий TDD и FDD
Показатель
FDD
TDD
Частотный
«-» требуется две полосы
«+» нужна всего одна
спектр
частот
неспаренная полоса
частот (дешевле
лицензия)
Эффективность «-» как правило, UL менее
«+» Есть возможность
использования загружен, чем DL, а полоса
сконфигурировать
спектра
частот, выделяемая под него,
соотношение между UL
такая же. То есть КПД UL
и DL так, чтобы
невысок
обеспечить
максимальную загрузку
обоих каналов
Пропускная
«+» Сравнивая 20+20 МГц в
«-» высокие затраты на
способность
FDD и 20 МГц в TDD,
управление ресурсами
безусловно, скорость передачи (overheads) приводят к
данных будет выше в FDD
общему снижению
14
«+» Сравнивая 10+10 МГц в
FDD и 20 МГц в TDD, скорость
передачи данных в конкретном
направлении будет зависеть от
того как сконфигурированы
каналы в TDD, но при их
симметрии в TDD скорость
будет ниже, за счет больших
затратах на управление
(overheads)
«-» При реализации приемопередатчика требуются
сложные и дорогостоящие
дуплексные фильтры для того,
чтобы избавиться от помех
Аппаратная
реализация
пропускной способности
по сравнению с режимом
FDD
«+» Не требуются
дуплексные фильтры,
ставится обычный ключ,
переключающийся
между приемной и
передающей антеннами
(дешевле)
В рамках данной лабораторной работы нас будет больше интересовать
режим FDD. Частотно-временная структура радиоинтерфейса LTE в режиме с
частотным разделением восходящего и нисходящего каналов FDD
представлена на рисунке 6. Вся ось времени разбивается на кадры
длительностью 10 мс, каждый из которых в свою очередь делится на 10
субкадров по 1 мс или TTI (Time Transmission Interval). Каждый TTI состоит из
2 слотов по 0,5 мс.
Частота, кГц
Слот=0.5мс Слот=0.5мс
1 поднесущая = 15 кГц
.....
.....
1 OFDM-символ = 1 ресурсный элемент
180
Один ресурсный блок
(12 поднесущих и 7 OFDM
символов=0.5 мс) - RB
PRB
180
.....
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Время, мс
1 мс=1 субкадр=1 TTI
Кадр 10 мс
Рис. 6. Частотно-временная структура радиоинтерфейса LTE (FDD)
15
Пример распределения элементов канала
управления между пользователями в
зависимости от качества радиоканала CQI
CCE для UL
CCE для UE3
DL PRB
CCE для UE3
CCE для UL
CCE для UE4
DL PRB
CCE для UE4
Полоса частот, кГц
UE CQI
...
Число CCE
2
14
1
4
10
2
1
3
8
3
8
4
CCE для UL
CCE для UE3
DL PRB
CCE для UE3
DL PRB
CCE для UL
Неиспользованный CCE
DL PRB
CCE для UE2
1.4 МГц (6 ресурсных блоков)
Одним ресурсным блоком RB (Resource Block) называется совокупность
7 OFDM-символов (или ресурсных элементов) при условии, что используется
нормальный, а не расширенный циклический префикс (встроенный LTEмеханизм для борьбы с межсимвольной интерференцией, вызванной
многолучевым распространением сигнала), и 12 ортогональных поднесущих с
разносом по частоте в 15 кГц.
Два последовательных по времени ресурсных блока называются
физическим ресурсным блоком PRB (Physical Resource Block) и являются
минимальной порцией ресурса, выделяемого абоненту в случае необходимости.
Для того чтобы назначить определенную часть ресурса (номер ресурсного
блока, схему модуляции и кодирования MCS) планировщик использует
элементы канала управления (Control Channel Elements – CCE) с различными
уровнями агрегирования (от 1 до 8). Один CCE состоит из 36 OFDM-символов.
Уровень агрегирования CCE (или количества выделяемых пользователю CCE)
определяется радиоусловиями абонента. Чем хуже радиоусловия (SINR), тем
выше степень избыточности кодирования и тем больше ему требуется
элементов канала управления. Количество CCE определяется шириной полосы
(1.4, 3, 5, 10,15 или 20 МГц).
На рисунке 7 показан пример распределения ресурсов планировщиком
базовой станции между абонентами в зависимости от их радиоусловий (CQI).
Порядок назначения ресурсов пользователям определяется алгоритмом
планировщика (например, самый высокий приоритет могут получать абоненты,
находящиеся в лучших радиоусловиях, либо те, у кого выше требования к
времени задержки пакетов).
DL PRB
Время, мс
PDCCH
PDSCH
1 мс=1 субкадр=1 TTI
- CCE – Control Channel Element (Элемент канала управления);
- DL – Downlink (Нисходящий канал);
- PDSCH – Physical DL Shared Channel (Физ.нисход. разделяемый канал);
- UL – Uplink (Восходящий канал);
- CQI – Channel Quality Indicator (Индикатор качества канала);
- PRB – Physical Resource Block (Физический ресурсный блок).
Рис.7. Пример распределения элементов канала управления CCE между
абонентами UE в зависимости от радиоусловий
16
В случае если планировщик исчерпал все CCE-ресурсы, не распределив
весь запрашиваемый абонентами канал трафика, можно говорить о
заблокированном канале трафика по причине нехватки канала управления.
Очевидно, что нехватка канала управления оказывает существенное
влияние на пропускную способность сети, которую можно определить, как:
Количество выделенного ресурса
Относительная пропускная способность =
.
Количество запрашиваемого ресурса
Относительная пропускная способность – это, по сути, фактически
выделенная доля распределенных ресурсов абонентам из всех имеющихся.
Максимальное количество запрашиваемого ресурса – это 100%.
Помимо функции распределения ресурсов на MAC-подуровне
выполняется упаковка транспортных каналов в физические и повторная
передача ресурсных блоков HARQ (Hybrid Automated Repeat reQuest). HARQ –
это механизм пересылки PRB, инициируемый проверкой контрольной суммы
блока CRC-бит (Cyclic Redundancy Check). Отношение количества ресурсных
блоков, полученных с ошибкой, к общему количеству переданных ресурсных
блоков называется вероятностью блоковой ошибки BLER (Block Error Rate). На
рисунке 8 показаны два способа подсчета BLER – по первой квитанции
(квитанция – это сообщение о том, успешно или неуспешно получен блок
данных) или по совокупности повторных передач одного и того же блока
(механизм Soft Combining, реализуемый в рамках HARQ).
1-Й
PRB
NACK
BLER1st=
=1
NACK
2-Й
PRB
BLERSoftCombGain=
NACK
NACK+ACK
Время
=0.5
Рис.8. Пример вычисления вероятности блоковой ошибки BLER с учетом и без
учета выигрыша от комбинирования повторно переданного пакета HARQ
Очевидно, что без учета выигрыша за счет использования механизма
HARQ вероятность блоковой ошибки возрастает (в примере на рисунке 8 она
равна единице).
Вероятность блоковой ошибки BLER используется в LTE для оценки
качества радиоусловий как независимое измерение, а также для вычисления
значений CQI (Channel Quality Indicator).
CQI – это индикатор качества нисходящего канала, отправляемый
мобильными терминалами на основании измерений SNR и вычисления
значения BLER. На рисунке 9 показан пример определения CQI.
17
Рис.9. Определение значения CQI, исходя из измеренного значения SNR и
вычисленного BLER
В таблице 3 приведено соответствие между
отправляемыми пользователями, видом модуляции
эффективностью, взятое из спецификаций 3GPP.
значениями CQI,
и спектральной
Табл. 3. Сопоставление значений CQI, типов модуляции и кодирования
CQI Модуляция Спектральная
эффективность
0
QPSK
0.1523
1
QPSK
0.2344
2
QPSK
0.3770
3
QPSK
0.6016
4
QPSK
0.8770
5
QPSK
1.1758
6
16QAM
1.4766
7
16QAM
1.9141
8
16QAM
2.4063
9
18
CQI
Модуляция
10
11
12
13
14
15
64QAM
64QAM
64QAM
64QAM
64QAM
64QAM
Спектральная
эффективность
2.7305
3.3223
3.9023
4.5234
5.1152
5.5547
Спектральная эффективность – это эффективность использования
спектра, показывающая количество бит, переданных за одну секунду в 1 Герце
полосы частот. Зная спектральную эффективность, можно приближенно
определить пропускную способность, достижимую технологией. Например,
при спектральной эффективности 5.5547 бит/с/Гц и ширине полосы частот 20
МГц пропускная способность будет равна 5.5547*20*106=111 Мбит/с.
Безусловно, это очень грубый расчет, так как из 20 МГц в LTE в
действительности используется лишь 18 МГц полосы. Кроме того, данный
расчет не учитывает влияние MIMO и прочих механизмов, увеличивающих
спектральную эффективность.
Измерения SNR и SINR выполняются мобильными устройствами на
поднесущих и временных символах, содержащих опорные сигналы RS
(Reference Signals). Однако стандартами 3GPP не регламентируются жестко
правила измерений. В частности, не говорится, в какой полосе частот
выполнять измерения (нужно ли измерять всю полосу частот или достаточно
лишь нескольких поднесущих), и сколько временных символов нужно
промерить, чтобы выполнить адекватное усреднение полученного SNR.
3. Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается
разработать алгоритм, программно реализовать имитационную модель
планировщика MAC-протокола LTE в среде MathCad (или Octave при
отсутствии лицензии на MathCad) и исследовать зависимости вероятности
блокировки канала трафика и относительной пропускной способности от
величины входной нагрузки.
Порядок выполнения работы (2 варианта):
Исходные данные
– Технология LTE;
– DL нисходящий канал;
– Дуплексирование UL и DL – FDD;
– использование MIMO – по варианту;
– ширина полосы – 10 МГц (50 ресурсных блоков PRB);
19
– используемые схемы модуляции и кодирования MCS зависят от
значений CQI=3 (1500 м от БС); 6 (1000 м от БС); 9 (500м от БС);12 (120
м от БС); 15 (50 м от БС);
– Число активных абонентов в соте – 20;
– Радиус соты – 1,5 км;
– BLER – по варианту;
– Тип трафика абонентов – мультисервисный;
– Уровни агрегирования CCE – 1/2/4/8;
– Доля CCE для назначения канала PDSCH (нисходящий канал) – 2/3;
– Тип MAC-планировщика – по варианту.
Рассматривается одна сота LTE (рисунок 9), внутри которой абоненты
распределены равномерно. В зависимости от удаленности от антенны (базовой
станции) варьируются радиоусловия пользователей – чем дальше абонент, тем
хуже канал связи, тем ниже порядок требуемой ему схемы модуляции и
кодирования MCS для передачи данных (тем меньше индекс CQI).
Уровень мощности
сигнала базовой
станции, дБм
CQI=15
CQI=12
CQI=9
CQI=6
Рис. 9. Пример распределения абонентов внутри соты в различных
радиоусловиях, отражаемых соответствующими значениями CQI
Необходимо сгенерировать поток данных, скачиваемых абонентами в
нисходящем канале. Задача планировщика каждую миллисекунду распределять
имеющийся частотно-временной ресурс канала PDSCH между заявками,
поступающими в буфер, по указанному в задании алгоритму, оповещая
абонентов о назначении ресурсного блока с помощью элементов канала
управления CCE.
1.
Разработайте детальный пошаговый алгоритм распределения
радиоресурсов в мобильных сетях LTE. Если ваш порядковый номер в журнале
четное число (Вариант 1), то вам необходимо реализовать алгоритм Round Robin
с поддержкой MIMO 2x2 в режиме пространственного мультиплексирования
20
данных (см. Лабораторная работа № 1). Если же ваш порядковый номер в
журнале – нечетное число (Вариант 2), то от вас требуется разработать алгоритм
Maximum C/I (или Maxomum CQI) с вероятностью BLER=10%.
2.
На рисунке 10 представлена упрощенная блок-схема алгоритма
программы распределения радиоресурсов в сетях LTE.
Рис. 10. Пример функциональной блок-схемы алгоритма имитационной
модели распределения радиоресурсов между абонентами сети LTE
В рамках данной лабораторной работы не требуется жестко следовать
предложенному алгоритму. Вы можете предложить собственное, более
оптимальное решение поставленной задачи.
3.
Разработав алгоритм имитационной модели MAC-планировщика
радиоресурсов LTE, необходимо реализовать его в программной среде MathCad
(или Octave при отсутствии лицензии на MathCad). Обратите внимание на
способ генерации входного трафика. Мотивируйте выбор модели трафика,
закон распределения моментов появления запросов на передачу данных.
4.
Постройте и проанализируйте зависимости вероятности блокировки
канала трафика и относительной пропускной способности от величины входной
нагрузки. На рисунках 11 и 12 показаны примеры получаемых характеристик.
21
Необязательно, что ваши графики будут выглядеть точно так же. Кроме того,
можно построить зависимости среднего времени задержки пакетов (время их
нахождения в системе) от интенсивности входной нагрузки для разных
значений уровней агрегирования CCE.
Рис. 11. Зависимость вероятности блокировки каналов трафика PDSCH от
интенсивности входной нагрузки для различных уровней агрегирования
элементов канала управления CCE (1, 2, 4 и 8)
Рис. 12. Зависимость относительной пропускной способности от интенсивности
входной нагрузки для различных уровней агрегирования элементов канала
управления CCE (1, 2, 4 и 8)
5.
Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
алгоритмами программы, и графиками, демонстрирующими успешность
выполнения, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
22
4.
Контрольные вопросы
1.
Перечислите основные функции, реализуемые в рамках MACпротокола LTE.
2.
Назовите методы распределения ресурсов между пользователями и
перечислите их основные достоинства и недостатки.
3.
Ресурсы каких физических каналов назначаются абонентам на
конкурентной основе планировщиком базовой станции eNodeB?
4.
Что за проблема скрывается за выражением «Blocked PDCCH»?
5.
В рамках какой функции вычисляется значение BLER, и каким
образом его можно вычислить?
6.
Что такое CQI, и как абонентские устройства определяют его
значение?
7.
Как измеряется отношение уровня сигнала к шуму SNR
мобильными терминалами LTE?
8.
Что означает масштабируемость сетей LTE?
9.
Чем отличаются режимы дуплексирования восходящего и
нисходящего каналов TDD и FDD? Каковы преимущества и недостатки
каждого из способов?
Лабораторная работа № 3. Проектирование радиопокрытия и
архитектуры мобильных сетей LTE
1.
Цель работы
Получить представление о том, как проектируются мобильные сети LTE
и, в частности, как рассчитывается зона действия (радиопокрытие) отдельных
базовых станций eNodeB (точнее, сот).
2.
Краткие теоретические сведения
2.1. Архитектура сетей LTE
На рисунке 13 представлена архитектура сетей LTE. Пунктирными
линиями показаны интерфейсы, используемые для обмена управляющими
(сигнальными) сообщениями (CP – Control Plane). Сплошные линии – это
интерфейсы передачи пользовательских данных (UP – User Plane). Архитектура
сетей 4-го поколения не имеет элемента для централизованного управления
радиоподсистемой, например, контроллера базовых станций eNodeB. Для
обеспечения сигнального взаимодействия между eNodeB существует
логический интерфейс X2. Функции базовых станций eNodeB – это управление
радиоинтерфейсом
LTE-Uu
(динамическое
распределение
ресурсов,
шифрование данных, HARQ, управление QoS, MIMO и пр. [7–9]).
Важнейшим компонентом сети является элемент управления
мобильностью MME (Mobility Management Entity), который, благодаря
интерфейсу S6a, имеет доступ к абонентским данным из HSS (Home Subscriber
Server) для выполнения любых процедур, требующих авторизации UE (User
Equipment – пользовательское оборудование) – установление и управление
23
соединениями (сессиями или bearer), регистрация в сети, обновление
местоположение и пр. Кроме того, MME по интерфейсу S11 осуществляет
управление обслуживающим шлюзом S-GW (Serving Gateway) и шлюзом P-GW
(Packet Data Network Gateway) для организации логических транспортных
каналов передачи данных (EPS Bearers). eNodeB взаимодействуют с MME
посредством сигнального S1-U интерфейса. MME во время регистрации
пользователей в сети авторизует их по IMSI (International Mobile Subscriber
Identity), а затем выделяет им временный идентификатор GUMMEI, который
будет использован для идентификации абонентов до отключения мобильных
терминалов.
Сигнальное
соединение
UE
LTEUu
Интерфейс передачи
данных
Сота
eNodeB – Базовая станция
S-GW – Serving Gateway – Обслуживающий шлюз
X2
eNodeB
PDN – Packet Data Network – Сеть пакетных данных
eNodeB
P-GW – PDN-Gateway – PDN-Шлюз
S1-U
S1-U
HSS
S1-MME
S6a
S1-MME
S11
S-GW
MME
HSS – Home Subscriber Server – Сервер домашних
абонентов
PCRF – Policy and Charging Rule Function – Управление
политиками и тарификацией пользователей
UE – User Equipment – Пользовательское оборудование
PCRF
MME – Mobility Management Entity – Элемент
управлениямобильностью
S5/S8
Gx
P-GW
IMS – IP Multimedia System
Rx
PDN
(например,
IMS)
Рис. 13. Архитектура сети LTE
Главной функцией P-GW является выделение IP-адресов для
пользовательских сессий. P-GW также принимает участие в управлении
качеством обслуживания QoS и тарификациями совместно с элементом PCRF
(Policy and Charging Rule Function). Помимо этого, через P-GW организуется
взаимодействие сети LTE (3GPP) с другими сетями оператора, работающими не
по стандартам 3GPP (например, CDMA2000, Wi-Fi и пр. [10]). Подключение же
к сетям на базе 3GPP выполняется через S-GW посредством интерфейсов S3, S4
и S12 (не показаны на рисунке 13).
Все интерфейсы сети LTE – это IP-интерфейсы. Это означает, что
организация такой услуги как голосовой вызов возможна только с
24
использованием технологий VoIP, которая,
подключения к сети IMS (IP Multimedia System).
2.2.
в
свою
очередь,
требует
Особенности проектирования радиопокрытия локальных
мобильных сетей LTE
В рамках данной лабораторной работы нас будут интересовать принципы
расчета радиуса действия одной соты LTE. При расчете радиопокрытия
беспроводных точек доступа или базовых станций нужно учитывать
физические факторы, ограничивающие зону действия. Прежде всего, это
чувствительность приемного устройства RxSens (приемника базовой станции
eNodeB или пользовательского терминала UE), которая вычисляется по
формуле (7):
RxSens =
+ ℎ
+
,
(7)
где NoiseFigure – коэффициент шума, который обычно указывается
производителем оборудования; RequiredSINR – требуемое отношение мощности
сигнала к мощности шумов и интерференции, зависящее от используемых схем
модуляции и кодирования MCS, а также от механизмов, позволяющих снизить
это значение (features); ThermalNoise – тепловой шум приемника, определяемый
по формуле (8):
ThermalNoise = −174 + 10 ∙
(
),
(8)
где BW – ширина полосы частот принимаемого сигнала в Гц, а -174 дБм –
уровень шума на 1 Гц полосы частот при температуре 200С.
Значение RxSens, получаемое из выражения (7) – это минимальный
требуемый уровень радиосигнала, при котором возможно успешное
декодирование битов данных.
Для того чтобы определить, какой должен быть максимальный уровень
допустимых потерь радиосигнала MAPL (Maximum Allowed Path loss), при
котором будет возможно успешно декодировать данные, составляется и
рассчитывается так называемый бюджет восходящего (от пользователя к точке
доступа UL) и нисходящего (от точки доступа к пользователю DL) каналов.
а) Бюджет нисходящего канала (DL Link Budget)
На рисунке 14 показано, из каких компонентов составляется бюджет
нисходящего канала DL.
В неравенстве, показанном на рисунке 14, все входные параметры за
исключением PL(d) являются константами. В левой части этого неравенства
стоят составляющие, характеризующие реальный уровень сигнала в
зависимости от расстояния d, в правой же – требования к уровню такого
сигнала, при котором декодирование будет осуществимо. Если приравнять
левую и правую часть неравенства, мы получим уравнение (9), где PL(d) можно
заменить на MAPL_DL – уже независящие от расстояния максимально
допустимые потери радиосигнала, которые удовлетворяют минимальным
требованиям успешного приема данных.
TxPowerENodeB −
+ AntGainENodeB + MIMOGain − MAPL_DL −
IM − PenetrationM = RxSensUE.
(9)
25
На рисунке 15 показано, что происходит с сигналом при прохождении
через антенно-фидерный тракт. Потери сигнала во многом зависят от того, как
сконфигурирована базовая станция.
eNodeB
Бюджет нисходящего
канала в сетях LTE
UE
Расстояние (d), км
TxPowerENodeB – Мощность передатчика базовой станции eNodeB, дБм
FeederLoss – Уровень потерь сигнала при прохождении через фидер или джампер, дБ
AntGainENodeB – коэффициент усиления приемо-передающей антенны базовой
станции eNodeB, дБи
MIMOGain – выигрыш за счет использования MIMO, дБ
PL(d) – уровень потерь радиосигнала в зависимости от удаленности пользователя,
определяемый моделью распространения сигнала, дБ
IM – запас мощности на интерференцию (Interference Margin), дБ
PenetrationM – запас сигнала на проникновение сквозь стены, дБ
RxSensUser – чувствительность приемника пользователя, дБм
Рис. 14. Бюджет нисходящего канала DL в сетях LTE
В случае использования фидера, как правило, фидер доходит до
малошумящего усилителя (МШУ), который монтируется максимально близко к
антенне, а затем с помощью соединительного джампера сигнал передается на
антенну, где происходит его усиление за счет конфигурации антенны и MIMO.
Потери и выигрыши в антеннофидерном тракте базовой станции LTE
Выигрыш от
MIMO 2x2:
+ 3 дБ
Фидер
Джампер
- 2 дБ
МШУ
Усиление
антенны:
+3÷+24 дБи
- 0.5 дБ
- 0.4 дБ
Панельная антенна
БС с MIMO 2x2
Приемопередатчик БС
eNodeB
Рис. 15. Усиление и ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте базовой
станции eNodeB LTE
26
Если с выхода базовой станции сигнал попадает в фидер, то там он
ослабляется примерно на 2 дБ. Точное значение ослабления зависит от типа и
длины фидера. Затем сигнала попадает на МШУ, где ослабляется еще на 0.4 дБ,
после чего в джампере до антенны он затухает еще на 0.5 дБ. Если базовая
станция сконфигурирована без фидера (приемо-передатчик близко с антенной),
то потерями в антенно-фидерном тракте будут считаться только потери 0.5 дБ в
джампере между приемо-передатчиком и антенной.
MIMO c двумя передающими антеннами позволяет усилить сигнал на
3 дБ или в 2 раза (MIMOGain). В настоящее время бывают базовые станции и с
четырьмя, и с восьмью передающими антеннами, что в свою очередь еще
больше усиливает сигнал.
Запас (margin) мощности сигнала на проникновения PenetrationM
включает в себя не только возможные затухания сигнала при прохождении
через такие препятствия как стены зданий, но и затухания в теле человека
(Body penetration) при телефонном разговоре (учитывается только для
голосовых сервисов).
Решив уравнение (9), можно определить допустимые потери уровня
сигнала MAPL_DL в нисходящем канале, однако, расстояние, на котором
сигнал затухнет на эту величину все еще неизвестно. Для того чтобы это
выяснить, необходимо подобрать подходящую модель распространения
радиосигнала (см. ниже).
б) Бюджет восходящего канала (UL Link Budget)
На рисунке 16 представлены основные составляющие бюджета
восходящего канала UL.
В неравенстве, показанном на рисунке 16, все входные параметры за
исключением PL(d) – это константы. В левой части данного неравенства стоят
составляющие, отражающие реальный уровень сигнала на некотором
расстоянии d от пользователя, в правой же части – требования к уровню такого
радиосигнала, при котором декодирование будет возможно. Приравняв левую и
правую часть неравенства, получаем уравнение (10), где PL(d) можно заменить
на MAPL_UL – это независящие от расстояния максимально допустимые
потери радиосигнала в восходящем канале UL, которые удовлетворяют
минимальным требованиям успешного приема данных.
TxPowerUE −
+ AntGainENodeB + MIMOGain − MAPL_UL − IM −
PenetrationM = RxSensENodeB.
(10)
Принципиальными отличиями бюджетов восходящего и нисходящего
каналов являются чувствительность приемника RxSens (в зависимости от
направления – это либо чувствительность UE, либо eNodeB), которая
определяется по формуле (7), и мощность передатчика TxPower (UE или
eNodeB).
Результатом решения уравнения (10) будет определение допустимых
потерь MAPL_UL в восходящем канале UL, однако расстояние, на котором
сигнал затухнет на эту величину, все еще неизвестно.
27
eNodeB
Бюджет восходящего
канала в сетях LTE
UE
Расстояние (d), км
TxPowerUE – Мощность передатчика абонентской станции UE, дБм
FeederLoss – Уровень потерь сигнала при прохождении через фидер или джампер, дБ
AntGainENodeB – коэффициент усиления приемо-передающей антенны базовой
станции eNodeB, дБи
MIMOGain – выигрыш за счет использования MIMO, дБ
PL(d) – уровень потерь радиосигнала в зависимости от удаленности пользователя,
определяемый моделью распространения сигнала, дБ
IM – запас мощности на интерференцию (Interference Margin), дБ
PenetrationM – запас сигнала на проникновение сквозь стены, дБ
RxSensENodeB – чувствительность приемника eNodeB, дБм
Рис. 16. Бюджет нисходящего канала UL сети LTE
Для того чтобы определить радиус соты, необходимо подобрать
подходящую модель распространения сигналов, отражающую реальные
особенности местности, в которой требуется спроектировать сеть LTE.
в) Модели распространения сигналов для сетей LTE
После определения величины максимально допустимых потерь в обоих
направлениях (MAPL_UL и MAPL_DL) нужно найти, на какой удаленности от
радиопередатчика d следует ожидать вычисленного уровня потерь сигнала PL.
Для нахождения радиуса соты LTE применяются модели, которые
предсказывают затухание радиосигнала на определенном расстоянии для самых
различных радиоусловий. Это могут быть аналитические модели, например,
модель свободного пространства, не учитывающая факторы воздействия
внешней среды на сигнал, а также эмпирические, полученные опытным путем
для самых разных условий и типов приемопередающих устройств (например,
модели Walfish-Ikegami, Knife-Edge, Okumura, Hata и пр.).
Рассмотрим наиболее часто используемые модели распространения
сигналов для сетей LTE. Базовые станции eNodeB могут устанавливаться
28
практически где угодно: на зданиях, в бизнес-центрах, в аэропортах, вдоль
железных дорог и пр.
Модель свободного пространства FSPM (Free Space Propagation
Model)
Данная модель применяется в условиях открытого пространства между
приемником и передатчиком для диапазона сверхвысоких частот (3..30 ГГц).
Формула для расчета затуханий имеет вид (11):
( ) = 20 ∙
( ) + 20 ∙
( ) − 27.55,
(11)
где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником
и передатчиком в м.
Такую модель можно использовать при проектировании маломощных
базовых станций в помещениях.
Модель UMiNLOS (Urban Micro Non-Line-of-Sight)
Данная модель также применяется в условиях размещения точек доступа
в помещениях (Indoor).
Формула для расчета затуханий имеет вид (12):
( ) = 26 ∙
(f[ГГц]) + 22.7 + 36.7 ∙ 10(d[м]),
(12)
На рисунке 17 представлены полученные с помощью описанных выше
моделей распространения сигнала зависимости потерь мощности радиосигнала
от расстояния между приемником и передатчиком.
Рис. 17. Потери мощности радиосигнала в помещении, рассчитанные по
моделям UMiNLOS и FSMP
Модель Окумура-Хата и ее модификация COST231
Данная модель распространения сигнала является одной из наиболее
часто используемых моделей при проектировании покрытия макросот LTE. Она
применима для сетей, работающих в частотных диапазонах от 150 МГц до 2
29
ГГц при высоте подвеса антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте
антенны мобильного устройства от 1 до 10 м и радиусе соты от 1 до 20 км.
Формула для расчета затуханий имеет вид (13):
( )= + ∙
( ) − 13.82 ∙
(ℎ ) − + ∙
( )+
,
(13)
где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником
и передатчиком в км, ℎ
– высота подвеса антенны БС eNodeB,
, ,
– константы (см. ниже).
Табл. 4. Значения коэффициентов А и В для различных диапазонов частот
Диапазоны частот, МГц
А
В
69.55
26.16
150-1500
46.3
33.9
1500-2000
Параметр a зависит от высоты антенны мобильной станции ℎ , от
несущей частоты f, а также от типа местности (или клаттера) и определяется по
формуле (14):
(ℎ ) =
(11.75 ∙ ℎ )] − 4.97 для
3.2 ∙ [
и
,
(14)
[1.1 ∙
( )] ∙ ℎ
( ) − 0.8] для ,
− [1.56 ∙
,
где DU –это Dense Urban (плотная городская застройка), U – urban (город), SU –
suburban (пригород), RURAL – сельская местность, ROAD – трасса.
Последняя составляющая в выражении (13) – это Lclutter, зависящая от
несущей частоты f и от типа местности, определяется как (15):
3 для
⎧
0 для
⎪
− 2∙
+ 5.4 для
=
, (15)
⎨
( )] − 18.33 ∙
( ) + 40.94) для
⎪−(4.78 ∙ [
( )] − 18.33 ∙
( ) + 35.94) для
⎩ −(4.78 ∙ [
Составляющая s зависит от высоты базовой станции ℎ , от несущей
частоты f и от расстояния между абонентом и базовой станцией d и
определяется как (16):
=
( ), для ≥ 1 км
44.9 − 6.55 ∙
. (16)
( ) − 13.9 ∙
(ℎ ) ×
47.88 + 13.9 ∙
,
для
<
1
км
( )
Модель Walfish-Ikegami
Данная
модель
распространения
сигнала
используется
при
проектировании покрытия макросот LTE в условиях городской застройки с
«манхэттенской» grid-образной архитектурой (рисунок 18). Она применима для
сетей, работающих в частотных диапазонах от 800 МГц до 2 ГГц при высоте
подвеса антенны базовой станции от 4 до 50 м, высоте антенны мобильного
устройства от 1 до 3 м и радиусе соты от 30 м до 6 км.
30
eNodeB
Расстояние Между eNodeB и UE (d), км
h
w
b
UE
Non-LOS
LOS – Line-of-Sight –
Зона прямой видимости;
Non-LOS – Non-LOS –
Зона НЕпрямой
видимости.
LOS
h – средняя высота зданий, м
w – средняя ширина улиц, м
b – среднее расстояние между зданиями, м
Рис. 18. Применение модели Walfish-Ikegami для расчета покрытия
Потери мощности радиосигнала, если абонент находится в зоне прямой
видимости базовой станции (LOS), рассчитываются как (17):
( ) + 26
( ).
= 42.6 + 20
(17)
При отсутствии прямой видимости между абонентом и eNodeB, потери
определяются как (18)–(25):
+ + , если +
>0
=
,
(18)
, если + ≤ 0
где L0 – потери сигнала в свободном пространстве, L1 – потери сигнала за счет
переотражений от стен зданий, L2 – потери сигнала за счет переотражений от
крыш зданий.
( ) + 20
( ).
= 32.44 + 20
(19)
=
−10 + 0.354
( ) + 10
( ) + 20
(∆ℎ − ℎ ) + 2.5 + 0.075 ,
−16.9 − 10
4.0 − 0.114
(20)
где – средний угол между направлением распространения сигнала и улицей.
( )+
( )−9
( ).
=
+
+
(21)
31
(1 + ℎ − ∆ℎ), если ℎ > ∆ℎ
.
0, если ℎ ≤ ∆ℎ
54, если ℎ > ∆ℎ
54 − 0.8(ℎ − ∆ℎ), если ℎ ≤ ∆ℎ и > 0.5 .
=
54 − 0.8(ℎ − ∆ℎ) ∙ , если ℎ ≤ ∆ℎ и ≤ 0.5
.
18, если ℎ > ∆ℎ
∆
=
.
18 − 15 ∙
, если ℎ ≤ ∆ℎ
=
−18
(22)
(23)
(24)
∆
= −4 + 0.7
−1 .
(25)
г) Расчет радиуса и площади соты (Range and area calculation)
Применив выбранную модель распространения радиосигнала, получаем
зависимость, отражающую затухание радиосигнала при увеличении расстояния
между пользователем UE и базовой станцией eNodeB. Для того чтобы
определить, на каком расстоянии декодирование данных будет все еще
возможно в восходящем и нисходящем каналах, нужно знать уровень
максимально допустимых потерь в обоих направлениях (MAPL_UL и
MAPL_DL).
Отложив значения потерь радиосигнала в нисходящем и восходящем
каналах на графике зависимости потерь сигнала от расстояния между
пользователем и базовой станцией, как показано на рисунке 19, можно найти
радиусы сот. Точки пересечения MAPL_UL и MAPL_DL с кривой PL(d) покажут
радиусы сот LTE в UL и DL направлениях (d_UL и d_DL).
При проектировании радиопокрытия всегда берется меньшая из величин
d_UL и d_DL, в данном примере – это d_UL.
Рис. 19. Определение радиуса UL и DL в LTE-сети при проектировании соты в
помещении
32
Используя модель распространения сигнала UMiNLOS (подходит для
расчета покрытия в небольших помещениях, то есть для фемтосот), и рассчитав
максимально допустимые потери сигнала в обоих направлениях, получаем
радиус соты в восходящем канале 36 м и в нисходящем канале 60 м. В
результате, зона действия соты LTE ограничена радиусом 36 м.
На рисунке 20 показано, как определить площадь покрытия базовой
станции, зная, сколько секторов (сот) планируется сконфигурировать на каждой
eNodeB.
R
R
R
6-секторная БС
2-секторная БС
3-секторная БС
2
S=2.6R
S=1.73R2
S=1.95R2
Рис. 20. Определение площади сайта (базовой станции) в зависимости от числа
сконфигурированных секторов
3.
Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается
рассчитать количество базовых станций, необходимых для обеспечения
радиопокрытия заданной площади в среде MathCad (или Octave при отсутствии
лицензии на MathCad), сравнить радиус действия в восходящем UL и
нисходящем DL каналах. Кроме того, требуется спланировать архитектуру сети
LTE, определить требуемое число MME и S-GW.
Порядок выполнения работы:
Исходные данные:
 Мощность передатчиков eNodeB: 43 дБм;
 Число секторов на одной eNodeB: 3;
 Мощность передатчика пользовательского терминала UE: 23 дБм;
 Коэффициент усиления антенны eNodeB: 21 дБи;
 Запас мощности сигнала на проникновения сквозь стены: 17 дБ;
 Запас мощности сигнала на интерференцию: 6 дБ;
 Модель распространения сигнала для макросот: COST 231 Hata;
 Модель распространения сигнала для фемто- и микросот:
UMiNLOS;
 Диапазон частот: 1.9 ГГц;
 Полоса частот в UL: 20 МГц;
33










Полоса частот в DL: 20 МГц;
Дуплекс UL и DL: FDD;
Коэффициент шума приемника eNodeB: 2.4 дБ;
Коэффициент шума приемника пользователя: 7 дБ;
Требуемое отношение SINR для DL: 11 дБ;
Требуемое отношение SINR для UL: 14 дБ;
Число приемо-передающих антенн на eNodeB (MIMO): 2;
Емкость одного S-GW: 128 базовых станций;
Емкость одного MME: 256 eNodeB;
Площадь территории, на которой требуется спроектировать сеть
LTE: 500 кв. км;
 Площадь торговых и бизнес центров, где требуется спроектировать
сеть LTE на базе микро- и фемтосот: 200 000 кв.м;
 Базовые станции с фидерами.
1.
Выполните расчет бюджета восходящего канала, используя
входные данные, и определите уровень максимально допустимых потерь
сигнала MAPL_UL.
2.
Выполните расчет бюджета нисходящего канала, используя
входные данные, и определите уровень максимально допустимых потерь
сигнала MAPL_DL.
3.
Постройте зависимость величины входных потерь радиосигнала от
расстояния между приемником и передатчиком LTE.
4.
Определите радиус базовой станции eNodeB LTE в восходящем и
нисходящем каналах. По меньшему из полученных значений рассчитайте
площадь одной базовой станции и, исходя из заданной площади, вычислите
требуемое количество базовых станций (сайтов), необходимое для обеспечения
непрерывного покрытия на этой территории.
5.
Зная количество базовых станций, определите, сколько MME и SGW потребуется для построения сети LTE на заданной территории. Результаты
расчетов по требуемому оборудованию сведите в таблицу.
6.
Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
графиками, демонстрирующими успешность выполнения, результирующими
таблицами, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
4.
Контрольные вопросы
1.
Какие модели распространения сигналов используются для расчета
радиопокрытия сетей LTE?
2.
Какие основные составляющие бюджета восходящего (UL) и
нисходящего (DL) каналов в сетях LTE?
3.
Чем отличается чувствительность приемника базовой станции LTE
и пользовательского терминала UE?
34
4.
Каково назначение элементов радиоподсистемы сетей LTE?
5.
Для чего используется интерфейс X2?
6.
Что такое тепловой шум, и как он определяется?
7.
Что ограничивает радиус соты мобильных сетей LTE в нисходящем
и восходящем каналах?
8.
Из чего состоят потери сигнала в антенно-фидерном тракте базовой
станции eNodeB?
Лабораторная работа №4. Расчет пропускной способности и
абонентской емкости мобильных сетей LTE для различных типов сервисов
1.
Цель работы
Получить представление о том, как рассчитывается абонентская емкость
в мобильных сетях 4-го поколения LTE для различных сервисов, а также какая
часть радиоресурсов выделяется под каналы управления (сигнализация).
2.
Краткие теоретические сведения
2.1. Протоколы радиоинтерфейса LTE
Радиоресурсы в сетях LTE – это совокупность частоты (до 20 МГц без
агрегации несущих), времени (1 мс) и пространства (типы антенн). Однако
далеко не все эти ресурсы могут быть выделены абоненту. Часть ресурсов
тратится на управление радиодоступом, выполняемое различными
протоколами. На рисунке 21 показан стек протоколов Uu-интерфейса LTE
(радиоинтерфейс).
Уровни
модели
OSI
Control Plane (CP)
Сигнальные сообщения
L3
Application
Уровень
приложений
Данные протоколов NAS (NonAccess Stratum) и RRC (Radio
Resource Control) – L3 Signaling
User Plane (UP)
Пользовательские данные
Пользовательский IP-Трафик с
различными QoS-Требованиями
(голос, видео, скачивания и пр.)
PDCP-подуровень (Packet Data Convergence Protocol). Функции: 1) Шифрование.
2) Защита целостности данных CP. 3) Сжатие протокольных заголовков UPданных (ROHC-протокол – Robust Header Compression Protocol)
L2
Data Layer
Канальный
уровень
RLC-Подуровень (Radio Link Control). Функции: 1) ARQ (Automated Repeat
reQuest) В трех режимах – Acknowledgment Mode (AM) для трафика не-реального
режима времени; Unacknowledgment Mode (UM) для трафика реального режима
времени; Transparent Mode (TM) для широковещательных каналов. 2)
сегментация и конкатенация данных.
MAC-Подуровень (Medium Access Control). Функции: 1) HARQ. 2) Динамическое
распределение радиоресурсов (Scheduler). 3) Упаковка данных транспортных
каналов в физические каналы
L1
Physical
Физический
уровень
Технологии физического уровня: OFDMA, SC-FDMA, MIMO, Модуляция,
формирование радиосигналов.
Рис. 21. Стек протоколов радиоинтерфейса LTE и их функции
35
На радиоинтерфейсе есть протоколы только трех уровней модели OSI.
Верхний уровень – это уровень приложений, на котором буферизируются
данные. Данные, передаваемые по сети LTE, делятся на 2 типа: абонентский IPтрафик с различными требованиями к качеству обслуживания QOS (UP) и
сигнальные данные для управления соединениями (CP). NAS – это протокол
сигнального взаимодействия пользователей UE и MME. RRC – это протокол, на
котором «общаются» между собой базовая станция eNodeB и абоненты UE. В
случае если со стороны MME поступает сообщение NAS-протокола, то оно
инкапсулируется в сообщение RRC и затем передается пользователю.
С уровня приложений L3 данные поступают на второй уровень, который
в свою очередь подразделяется на 3 подуровня, функции которых выполняют
одноименные протоколы: PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio
Link Control) и MAC.
На PDCP-подуровне базовой станцией и абонентом выполняется
шифрование данных UP и CP, выполняется защита целостности данных CP
(integrity protection) и сжатие протокольных заголовков, которое осуществляет
протокол ROHC. Могут сжиматься заголовки протоколов IPv4, IPv6, UDP, RTP
и прочие.
Подуровень RLC отвечает за сегментацию или конкатенацию данных,
пришедших с PDCP, для того чтобы поместить их в транспортные блоки,
назначенные абоненту на более низких уровнях. Кроме того, протокол RLC
выполняет повторную пересылку данных в режиме AM (Acknowledgment
Mode) в рамках ARQ-функционала. RLC-подуровень оперирует с данными,
стоящими в очередях различных логических каналов.
После процедур RLC-уровня данные передаются на MAC-подуровень, где
формируются транспортные и физические каналы, а также выполняется
распределение ресурсных блоков RB между различными пользователями UE и
логическими каналами в рамках функции Scheduler. Помимо этого, MACпротокол отвечает за повторную пересылку транспортных блоков HARQ.
Нормальное значение BLER в LTE для абонентских данных – это 10%, а для
каналов управления – 1 % (например, для PDCCH). Это не означает, что 10%
данных пользователей теряется. Это лишь говорит о том, что 10%
транспортных блоков пересылаются повторно, избыточно занимая ресурсы
каналов PDSCH и PUSCH.
На физическом уровне L1 происходит модуляция всех имеющихся
поднесущих битами данных и формирование OFDM-сигналов, а затем их
передача на несущих частотах.
Для расчета емкости важно понимать, что каждый протокол,
обрабатывающий данные, вносит долю избыточности, требует ресурсов
радиоинтерфейса, а значит, уменьшает пропускную способность, достижимую
абонентами, а, следовательно, и абонентскую емкость. В [11] представлен
детальный алгоритм, расчета объема ресурсов радиоканала, затрачиваемых на
управление.
36
2.2. Услуга «Голос» в сетях LTE и архитектура IMS
Казалось бы, очевидно, что любая мобильная сеть должна предоставлять
голосовой сервис своим абонентам. Однако, реализация этой услуги в сетях
LTE не так проста, а зачастую и вовсе невозможна. Основное ограничение
вызвано тем, что сеть LTE – это сеть, все транспортные интерфейсы которой
работают по IP-протоколу. Это означает, что трафик, передаваемый по такой
сети, должен быть пакетным, потому что сеть коммутирует именно пакеты
(PS), а не каналы, как, например, в сетях 2-го и 3-го поколения (CS). В связи с
этими особенностями классические голосовые сервисы в сетях LTE можно
реализовать лишь так, как показано на рисунке 22.
Голосовые
сервисы в сетях
LTE
CSFB на сети 2/3G:
НЕТ голоса в LTE
All IP: VoIP В LTE и
VoIP в 3G (между
сетями обычный PSхэндовер)
SRVCC в 2/3G: VoIP
в LTE (PS) и CSголос в сетях 2/3G
(хэндовер PS->CS)
CSFB – Circuit Switch FallBack – Возврат в сеть с коммутацией каналов (2/3G)
CS – Circuit Switch – Коммутация каналов
PS – Packet Switch – Коммутация пакетов
2/3G – Сети 2-ого (GSM) и 3-его (WCDMA) поколений
VoIP – Voice Over IP – голос по IP-протоколу
SRVCC – Single Radio Voice Call Continuity – технология бесшовного перехода с
технологии VoIP на «классическую» технологию передачи голоса с CS
Хэндовер – «эстафетная» передача обслуживания абонента между сотами одной
или разных сетей.
Рис. 22. Методы реализации голосовых сервисов в LTE
В настоящее время самым распространенным среди операторов
мобильной связи решением для голосовых вызовов в LTE является CSFB
(Circuit Switch Fall Back). Эта технология не подразумевает, что LTE сеть
вообще используется для голоса. В случае голосового вызова, абонент просто
переключается на сеть 2-го или 3-го поколения (GSM или WCDMA),
разумеется, если таковая имеется у мобильного оператора и ее покрытие
совпадает с покрытием сети LTE. Этот способ предоставления голосовых услуг
не требует разворачивания IMS-архитектуры. Для него нужно лишь
организовать интерфейс между MME и MSS (Mobile Switching System),
называемый SGs. Этот же интерфейс используется для передачи SMSсообщений в случае отсутствия IMS (IP Multimedia System).
37
Чтобы понять, каков смысл двух оставшихся решений для передачи
голоса в сетях LTE, необходимо прояснить, что такое IMS.
2G
Радиоподсистема
(TDMA)
Ядро сети 2G
(управление
соединениями)
+
3G
Радиоподсистема
(CDMA)
4G
Радиоподсистема
(OFDMA)
Ядро сети 3G
(управление
соединениями)
+
Ядро сети 4G
(управление
соединениями)
+
Радиоподсистемы разных
поколений работают по
разным технологиям,
требуют отдельное
оборудование
=
Сеть 2G
=
Сеть 3G
=
Сеть 4G
Ядра сетей разных поколений по
сути выполняют одни и те же
функции, однако, нуждаются в
отдельном оборудовании для
каждого поколения
Рис. 23. Принципы построения сетей 2–4-го поколений
На рисунке 23 показано, по какому принципу происходит переход с
одного поколения мобильной связи на другое: сеть нового поколения означает
покупку и установку полностью нового оборудования радиоподсистемы и ядра
сети (Core или подсистема коммутации).
Универсальное Ядро IMS,
отвечает за сигнальное
управление соединениями
в любых радиосистемах
2G
Радиоподсистема
(TDMA)
WiMAX
Радиоподсистема
(OFDMA)
3G
Радиоподсистема
(CDMA)
Wi-Fi
Радиоподсистема
IMS-ядро
4G
Радиоподсистема
(OFDMA)
Радиоподсистема
CDMA2000
5G
Радиоподсистема
(xxxMA)
Рис. 24. Концепция IMS-архитектуры
38
В случае с оборудованием радиоподсистемы это объяснимо тем, что
технологии совершенствуются и становятся более спектрально эффективными.
Но если обратить внимание на функционал ядра сети, то очевидно, что он
призван выполнять практически идентичные операции, связанные с
управлением соединениями.
Приняв во внимание все сказанное выше, возникла концепция
архитектуры IMS, универсального «ядра» сети, которое может управлять
соединениями независимо от типа технологии радиоинтерфейса (accessindependent), как показано на рисунке 24.
Два оставшихся решения для голосовых сервисов строятся на том, что у
оператора имеется сеть IMS и реализован VoIP (Voice over IP), то есть голос,
передаваемый по технологии коммутации пакетов PS. Второе решение
подразумевает, что VoIP есть не только в LTE, но и в сетях 3-го поколения
WCDMA. В этом случае, если у абонента заканчивается покрытие сети 4G
(LTE) во время активного VoIP-разговора, то его соединение может быть
автоматически переведено в сеть 3G (то есть будет выполнен PS->PS хэндовер),
которая также поддерживает VoIP-сервис.
Последнее решение для голоса – это SRVCC (Single Radio Voice Call
Continuity). По сути, это решение лишь описывает переход голосового абонента
с сети LTE при окончании ее покрытия на сети GSM и WCDMA. Главная
сложность заключается в том, что голос в 4G – это PS-голос, а в сетях 2 и 3G –
поддерживается только CS-голос. В рамках данного решение происходит
отключение абонента от IMS и переключение на классические сети с
коммутацией голосовых каналов.
2.3. Качество обслуживания QCI и сервисы сетей LTE
Табл. 5. Параметры качества обслуживания для различных сервисов
QCI
Тип
Приоритет Бюджет Вероятность
ресурсов
задержки,
потери
мс
пакета
1
2
3
4
GBR
GBR
GBR
GBR
2
4
3
5
100
150
50
300
10-2
10-3
10-3
10-6
5
NonGBR
NonGBR
NonGBR
NonGBR
NonGBR
1
100
10-6
6
300
10-6
7
100
10-3
8
300
10-6
9
300
10-6
6
7
8
9
39
Примеры услуг
VoIP-голос
Видеовызов
Онлайн игры
Просмотр видео (с
буфферизацией)
IMS-сигнализация
Видео, браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
Голос, видео,
интерактивные игры
Браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
Браузинг, скачивание
файлов, почта и пр.
В таблице 5 представлены различные параметры, характеризующие
качество обслуживания абонентов, со значениями, рекомендованными 3GPP
для указанных видов сервисов. QCI (QoS Class Identifier) используются в LTE
для того, чтобы указывать, какие требования к обслуживанию предъявляются
различными типами сервисов и присваивается каждой сессии (bearer)
пользователя.
Первые
четыре
QCI
гарантируют
абонентам
определенную
(сконфигурированную оператором) битовую скорость GBR (Guaranteed Bit
Rate), остальные пять – не гарантируют. С помощью приоритетов можно
увеличить или уменьшить вероятность занятия канала абонентами с
определенными сервисами. Бюджет задержки особенно важен для
чувствительного к длительности обслуживания трафика, такого как, например,
голос. Вероятность потери пакетов также важная характеристика, особенно
если речь идет о передаче сверхважного трафика или сигнальных сообщений.
Параметры, приведенные в таблице 5 – это далеко не полный список QoSхарактеристик, доступных для конфигурирования в LTE. Прочие показатели
зависят от вендорской реализации.
3.
Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается оценить
емкость мобильных сетей 4-го поколения LTE в среде MathCad (или Octave при
отсутствии лицензии на MathCad), либо MS Excel.
Порядок выполнения работы:
1. Исходные данные для расчета абонентской емкости сетей LTE:
 Ширина полосы частот: 15 МГц;
 Циклический префикс: нормальный;
 Сервисы, для которых требуется определить емкость: голос (VoIP),
онлайн видео (video streaming) и скачивание данных (downloading).
 Требуемая скорость передачи данных для одного голосового
абонента на физическом уровне c1: 20 кбит/с;
 Требуемая скорость передачи данных для одного абонента,
просматривающего видео, на физическом уровне c2: 500 кбит/с;
 Требуемая скорость передачи данных для одного голосового
абонента на физическом уровне c3: 2 Мбит/с;
 Режим MIMO: 2x2, пространственное мультиплексирование (spacial
multiplexing);
 Затраты частотно-временных ресурсов на каналы управления и
вспомогательные сигналы (overheads): 30%;
 Процент ретрансмиссий MAC-уровня HARQ (BLER): 10%;
 Используемая схема модуляции и кодирования MCS: QAM16 3/5;
 Режим дуплексирования UL и DL: FDD.
Для того чтобы определить число абонентов N, нужно прежде всего
вычислить скорость передачи данных в одной соте LTE, достижимую при
заданных параметрах.
40
Алгоритм расчета пропускной способности базовой станции LTE:
а) рассчитайте символьную скорость (символ/сек). Формула расчета:
Общее число символов = (Число OFDM-символов в одном RB) х (Число RB
по частоте в зависимости от ширины полосы) х (число RB в 1 мс субкадре) х
(Число субкадров в 1 с) х (Число потоков данных с MIMO);
б) отнимите от общего числа символов символы, являющиеся затратами
частотно-временных ресурсов на управление (каналы управления, опорные
сигналы, сигнальные данные RRC-протокола и пр.) и символы, затрачиваемые
на повторные передачи транспортных блоков HARQ;
в) домножьте полученное число символов на спектральную
эффективность одного символа, зная MCS, вы получите пропускную
способность C в бит/с;
г) разделив полученную скорость на скорость, требуемую для голосового
соединения одного пользователя, получим число голосовых абонентов в сети
LTE:
=
.
2.
Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые пояснениями и
расчетами, демонстрирующими успешность выполнения, ответы на
контрольные вопросы, и заключение.
4.
Контрольные вопросы
1.
Из каких протоколов состоит стек протоколов интерфейса Uu в
сетях LTE? И каковы их основные функции?
2.
Какими QoS-параметрами характеризуются различные типы
сервисов в LTE-сетях?
3.
Что такое QCI?
4.
Как можно реализовать голосовой сервис в сетях LTE?
5.
Каково назначение IMS?
6.
Для чего нужны протоколы NAS и RRC?
7.
Поясните разницу между механизмом ARQ и HARQ.
8.
Что ограничивает пропускную способность (абонентскую емкость)
в сетях LTE?
41
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Bingham J. A. C. ‘Multicarrier modulation for data transmission: an idea whose
time has come’, IEEE Communications Magazine, vol. 28, pp. 5–14, May 1990.
[2] Hanzo L., Munster M., Choi B. J. and Keller T. OFDM and MC-CDMA for
Broadband Multi-user Communications, WLANs and Broadcasting. Chichester:
IEEE Press and John Wiley & Sons, Ltd, 2003.
[3] Nee R. V. and Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications.
London: Artech House, 2000.
[4] Тихвинский В. О. Сети мобильной связи LTE: Технологии и архитектура
[Текст] : монография / В. О. Тихвинский, С. В. Терентьев, А. Б. Юрчук. М. :
Эко-Трендз, 2010. 283с.
[5] Smith Steven W. The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing,
2nd edition. San Diego: California Technical Publishing, 1999. ISBN 0-9660176-3-3.
[6] Александров В.А. Преобразование Фурье: Учеб. пособие. Новосибирск:
НГУ, 2002. 62 с.
[7] ETSI TS136 321, V12.5.0 2015, LTE; Evolved Universal Terrestrial (E-UTRA);
Medium Access Protocol specification, version 12.5.0, Release 12, 2015-04.
[8] Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое
применение [Текст] : монография / Б. Скляр. 2-е изд., испр. М. : Издат. дом
"Вильямс", 2004. 1099 с.
[9] Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети [Текст] = Wireless
Communications and Networking : пер. с англ. : монография / В. Столлингс.
Москва : Вильямс, 2003. 638 с. ISBN 5-8459-0409-9.
[10] Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи [Текст] :
монография / И. Шахнович. М. : Техносфера, 2004. 166 с.
[11] Дроздова В. Г., Белов М. А., Оценка пропускной способности сетей LTE,
журнал «Мобильные телекоммуникации», №5, 2012. с. 20–22.
42
Учебное издание
Дроздова Вера Геннадьевна
Основы мобильных сетей LTE
Учебно-методическое пособие
Редактор С.С. Александров
Корректор И.Л. Гончарова
Принято редакционно-издательским советом № 2 от 07.11.2017,
подписано в печать 13.11.2017,
п. л. 2,7, заказ № 140, 43 стр., электронная версия – 1,73 Мб
Редакционно-издательский отдел СибГУТИ
630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, офис 105
тел. (383) 269-83-56
43