Моделирование дальности действия и пропускной способности базовой станции мобильных сетей LTE

В данной статье рассматривается метод моделирования дальности действия и пропускной способности базовой станции в мобильной сети Long-term Evolution (LTE) с использованием компьютерной программы Microsoft Excel. Приводятся результаты моделтрования.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, мобильные сети, беспроводные технологии.

Keywords: computer modelling, mobile networks, wireless technologies, LTE.

В последнее десятилетие спрос на высокоскоростные мобильные коммуникации сильно возрос. Абоненты мобильных операторов хотят иметь возможность пользоваться интернет-сервисами, требующими высокой скорости соединение, такими как электронная коммерция, скачивание видео, видеоконференции и и игровые приложения, не обременяя себя необходимостью проводного подключения своего переносного 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 декабре 2009 года был выпущен релиз 9, в который были включены обновления и дополнения.

Основными мотивирующими факторами для создания LTE сетей выступили необходимость в снижении задержки прохождения сигнала, повышении скорости передачи данных, улучшении пропускной способности и дальности действия, а также снижение стоимости реализации.

Одна 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. Также в сетях LTE имеется возможность использования много-антенной технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output). В зависимости от класса пользовательского оборудования, в LTE возможно использовать 4х4 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 изменяемой полосы 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 выраженную в мегабитах в секунду на основе введенных параметров сети и оборудования. Максимальные и минимальные значения для параметров представлены.

Для оценки дальности действия сети необходимо составить бюджет мощности. К основным статьям мощностного бюджета следует отнести мощность передатчика базовой станции (данная цифра ограничена стандартами 3GPP) и усиление антенны, как зависимость ее направленности. Здесь следует отметить, что в сетях LTE планируется использование адаптивных антенных решеток с возможностью фокусирования луча на оборудование пользователя. Такие антенны способны определить направление прихода сигнала и сформировать узкий пучок по этому направлению, что позволит сильно снизить интерференцию и как следствие получить значительное усиление сигнала. Сумма мощности передатчика и усиления антенны, из которой вычтены потери в кабелях и разъемах носит название эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ). Из этой цифры необходимо вычесть чувствительность приемника в оборудовании пользователя, которая формируется из коэффициента шума приемника, теплового шума и отношения сигнал/шум, а также учесть все прочие потери, такие как 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 всё еще быть распознан мобильным устройством. Это число будет использовано в модели по прогнозу затухания радиоволны для различных условий. Так для прогноза радиуса действия базовой станции в мелких городах и загородных областях, используется модель Hata. Математическая формула данной модели записывается следующим образом [1, 408]:

L_H = 69.55 + 26.26log(f) – 13.87log(h_b) – a(h_m) + [44.9 – 6.55log(h_b)]logR,

Где L_H – потери в дБ, f – операционная частота в МГц, h_b – высота антенны базовой станции в метрах, a(h_m) – коэффициент, зависящий от высоты антенны мобильного устройства и R – радиус действия в километрах.

Выразив из этой формулы R и подставив наибольшие возможные потери в L_H, возможно получить максимальный радиус действия базовой станции.

Для прогнозирования радиуса действия в условиях центра города использована модель COST231 Валфич/Икегами. Эта 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 Hata 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. Таким образом, данная модель может с достаточной степенью точности предсказать радиус действия базовой станции, расположенной в центре города.

Таблица 1

Бюджет мощности

В таблице 1 представлен бюджет мощности базовой станции. Количество ресурсных блоков, используемых для передачи применяется для расчета теплового шума приемника, который зависит от используемого частотного диапазона:

P_тепл = 10∙ log₁₀(k_B∙T∙Δf∙1000), дБм,

где k_B – постоянная Больцмана 1.38∙10^-23 Дж/К, Т – абсолютная температура и Δf – полоса частот, Гц.

Таблица 2

Параметры моделей для расчета дальности действия

В таблице 2 представлены параметры моделей для расчета дальности действия базовой станции. Рассмотрен случай с типичными значениями высот антенн. Параметры модели COST231 предполагают нахождение базовой станции в городе с низко этажной, довольно редкой застройкой, что позволяет сигналу распространяться на расстояние более трех километров.

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

Высокие скорости передачи данных в сетях LTE достигаются путем применения модуляций высокого порядка. В сетях LTE предусматривается использование трех видов модуляции сигнала: квадратурная фазовая модуляция (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) и два вида квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude 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 одном символе. Однако, для квадратурной амплитудной модуляции, состояние радио-канала должно быть достаточно хорошим, и требования к соотношению сигнал/шум очень высокие. 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 Correction, FEC также именуется Channel Coding), которая заключается в том, что информационным битам добавляются контрольные биты, по которым, в случае потери бит информации, можно будет восстановить начальное сообщение. Чем хуже состояние радио-канала (чем ниже соотношение сигнал/шум), тем больше контрольных бит будет добавлено в начальное 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 порядок 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 [2, 522]:

REFSENS = P_тепл + NF + SINR + IM – 3 , дБм,

где P_тепл – тепловой шум в дБм, NF (Noise figure) – коэффициент шума в дБ, SINR (Signal to Noise and Interference Ratio) - отношение сигнала к шуму и интерференции в дБ, IM (Implementation Margin) – запас на реализацию в дБ и 3дБ соответствуют усилению за счет применения технологии MIMO.

Таблица 3

Соотношения сигнал/шум плюс интерференция для различным техник модуляции и FEC, [2].

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 радиус, в котором будет еще будет действовать та или иная техника модуляции. Очевидно, что наименьшим радиус будет для модуляции 64QAM с небольшим количеством контрольных бит.

Таблица 4

Расчет эффективных радиусов действия.

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 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 радио-ячейки (Radio 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-carrier) частот, 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 LTE представляет собой одну поднесущую 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. 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 – 20МГц, соответствующего 100 ресурсных блоков, использование модуляции 64QAM и стандартного защитного интервала Cyclic Prefix, скорость передачи данных может быть рассчитана 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, рассчитанная скорость передачи данных будет значительно превосходить полезную скорость передачи, так как в данном расчете 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.

Таблица 5

Моделирование пропускной способности базовой станции

В таблице 5 представлен расчет пропускной способности базовой станции, имеющей диапазон частот 3 МГц, соответствующий пятнадцати ресурсным блокам. Предполагая, что будет использована модуляция QPSK со степенью кодирования 1/3, пропускная способность данной базовой станции составит 1.48 Мбит/с. Имея в своем распоряжении полосу частот, соответствующую 15 ресурсным блокам, базовая станция сможет одновременно обслуживать максимум 15 пользователей с предоставлением каждому одного ресурсного блока, таким образом, каждому пользователю будет доступен канал со скоростью передачи данных приблизительно 100 кбит/с.

Определенное количество ресурсов отводиться базовой станцией для контрольной информации. Так, логическому каналу PDCCH (Physical Downlink Control Channel) может быть отведено от 1 до 3 (от 2 до 4 в случае минимального частотного диапазона 1.4 МГц) символов в первом слоте каждой под-ячейки (Subframe). Таким образом, контрольная информация может занимать от 7.14% до 28.5% от всей информации в одном ресурсном блоке.

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.

Таблица 6

Моделирование пропускной способности базовой станции

В таблице 6 показаны пропускные способности базовой станции при различных частотных диапазонах и при использовании трех модуляционных техник с фиксированной степенью кодирования. Как видно из таблицы, максимальная возможная скорость передачи данных составляет около 71 Мбит/с, что приблизительно на 30% ниже заявленной 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 данные 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. Smith C. 3G Wireless Networks: Учеб. пособие / C. Smith, D. Collins. – Нью Йорк, 2007. – 408 с.

2. Sessia. S. LTE – The UMTS Long Term Evolution: Учеб. пособие / S. Sessia, I. Toufic, M. Baker. – Чишестер, Великобритания, 2009. – 522 с.