СибГУТИ Курсовая работа Сети ЭВМ и телекоммуникации. Проектирование мобильной сети 4G (LTE) скачать бесплатно

Содержание

Задание и исходные данные 3

1 Модель свободного пространства FSPM 4

2 Бюджет восходящего и нисходящего каналов 5

3 Расчет радиуса и площади соты (Range and area calculation) 11

4 Расчет требуемой пропускной способности сети 12

5 Архитектура сети. Расчет оборудования 13

Заключение 15

Список литературы 16

 

Задание: Требуется рассчитать количество оборудования (базовые станции, маршрутизаторы, элементы управления сетью, транспортные каналы) для построения сети LTE при заданных параметрах.

Таблица 1 Исходные данные

Выберите значение параметра в соответствие с вариантом (последняя цифра пароля)

Параметр 8

Диапазон частот, ГГц 3.4

Режим дуплексирования FDD (отдельные симметричные полосы частот под UL и DL)

Ширина полосы частот (BW), МГц 15

Мощность передатчика eNB, Вт 5

Усиление антенны eNB, dBi 17

Потери в антенно-фидерном тракте, dB 0,6

Тип местности* FS

Требуемая скорость в UL на краю соты, Мбит/с 1,256

Требуемая скорость в DL на краю соты, Мбит/с 2.5

Шумы eNB (NF), дБ 3

Шумы абонентского терминала UE (NF), дБ 6,5 дБ – если фамилия начинается на букву из диапазона И-У

Высота подвеса антенны eNB, м 35

Высота антенны UE, м 1,5

Потери сигнала на проникновения (застройка), дБ 26

Площадь, тыс. км.кв 19

Число абонентов, тысяч человек 75

Объем трафика, скачиваемый абонентов в ЧНН (DL), Мбайт 13 Мбайт – если имя начинается на букву из диапазона И-У

Число секторов на БС (eNB) 1

Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному S-GW 190

Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному MME 390

* FS – Free Space – свободное пространство

1 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 (1):

                               (1)

где f – это несущая частота сигнала в МГц, 

d – расстояние между приемником и передатчиком в м. 

Пример расчета при  :

Такую модель можно использовать при проектировании маломощных базовых станций в помещениях. 

Рисунок 1  Потери мощности радиосигнала при распространении

 

2 Бюджет восходящего и нисходящего каналов

В рамках данного курсового проекта 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 (2):

 ,                       (2)

где NoiseFigure (NF) – 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 (3):

 ,            (3)

где BW – ширина полосы частот принимаемого сигнала в Гц, а -174дБм – уровень шума на 1 Гц полосы частот при температуре 200С.

Значение RxSens, получаемое из выражения (2) – это минимальный требуемый уровень радиосигнала, при котором возможно успешное декодирование битов данных. 

Для того чтобы определить RequiredSINR, необходимо знать, какая схема модуляции и кодирования MCS может использоваться на краю соты. MCS зависит от требований оператора к скорости передачи данных на краю соты. Ниже приведена таблица, показывающая спектральную эффективность различных MCS (число бит передаваемых в секунду в 1 Гц полосы частот) и требования к RequiredSINR (таблица 2).

В таблице 2 показаны примерные значения, которые могут отличаться от стандарта 3GPP (LTE).

В рамках данного курсового проекта выберем наиболее помехозащищенный метод модуляции и кодирования (самый низкий MCS по возможности), гарантирующий требуемую скорость передачи данных на краю соты.

 Таблица 2  Определение RequiredSINR

№ MCS Спектральная эффективность, бит/с/Гц RequiredSINR, дБ

1 QPSK1/32 0.0625 2.1

2 QPSK1/15 0.133 2.9

3 QPSK1/7 0.286 5.1

4 QPSK1/3 0.67 6.3

5 QPSK2/3 1.33 7.9

6 QPSK6/7 1.71 9.5

7 QAM16 1/3 1.33 12.9

8 QAM16 2/3 2.66 15.4

9 QAM16 9/10 3.6 19.8

10 QAM64 1/8 0.75 16

11 QAM64 3/8 2.25 19.1

12 QAM64 ½ 3 20.2

13 QAM64 5/8 3.75 21.3

14 QAM64 ¾ 4.5 24.7

15 QAM64 9/10 5.4 26.9

Требуемая скорость в DL на краю соты, 2.5 Мбит/с, полоса частот 15 МГц. Для QPSK1/7 максимальная скорость=0.286х15х10^6=4.29 Мбит/с. RequiredSINR для такой скорости на краю соты = 5.1 дБ.

Требуемая скорость в UL на краю соты, 1.256 Мбит/с, полоса частот 15 МГц. Для QPSK1/15 максимальная скорость=0.133х15х10^6=1.995 Мбит/с. RequiredSINR для такой скорости на краю соты = 2.9 дБ.

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 2 показано, из каких компонентов составляется бюджет нисходящего канала DL.

Рисунок 2  Бюджет нисходящего канала DL в сетях LTE

В неравенстве, показанном на рисунке 2, 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 (4), где PL(d) можно заменить на MAPL_DL – уже независящие от расстояния максимально допустимые потери радиосигнала, которые удовлетворяют минимальным требованиям успешного приема данных. 

 .                        (4)

На рисунке 3 показано, что происходит с сигналом при прохождении через антенно-фидерный тракт. Потери сигнала во многом зависят от того как сконфигурирована базовая станция.

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.

Рисунок 3  Усиление и ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте базовой станции eNodeB LTE.

Если с выхода базовой станции сигнал попадает в фидер, то там он ослабляется примерно на 2 дБ (в данном случае 0.6 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 (4), 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 сопоставить MAPL_DL с подходящей моделью распространения радиосигнала.

Произведем соответствующие расчеты:

  ;

б) Бюджет восходящего канала (UL Link Budget)

На рисунке 4 представлены основные составляющие бюджета восходящего канала UL.

 Рисунок 4  Бюджет нисходящего канала UL сети LTE.

В неравенстве, показанном на рисунке 4, 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. 

 . (5)

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 (2) и мощность передатчика TxPower (UE или eNodeB).

Результатом решения уравнения (5) будет определение допустимых потерь MAPL_UL в восходящем канале UL. Остается определить расстояние, на котором сигнал затухнет на эту величину.

Произведем соответствующие расчеты:  ;

 

3 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 5, 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.

Используя модель распространения сигнала FSPM (рисунок 1) и, рассчитав максимально допустимые потери сигнала в обоих направлениях, получаем радиус соты в восходящем канале и в нисходящем канале не менее 50км. 

На рисунке 5 показано как определить площадь покрытия базовой станции, зная сколько секторов (сот) планируется сконфигурировать на каждой eNodeB. 

Рисунок 5   Определение площади сайта (базовой станции) в зависимости от числа сконфигурированных секторов.

Площадь покрытия базовой станции для одного сектора: 

 

4 Расчет требуемой пропускной способности сети

Произведем расчет требуемой пропускной способности сети, отталкиваясь от количества абонентов и скачиваемого ими трафика в час наибольшей нагрузки ЧНН.

Число абонентов 75 тыс. человек. Объем трафика, скачиваемый абонентом в ЧНН (DL) по заданию 13 Мбайт, или 104 Мбит. Тогда требуемая пропускная способность сети 75•104=7800 Гбит/с.

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 подячеек (Subframe), которые, в свою очередь делятся на два слота продолжительностью 0.5мс. В частотной области данные сгруппированы в группы по 12 поднесущих (Sub-carrier) частот, каждая из которых имеет диапазон в 15 кГц, что дает в сумме 180 кГц на группу. Группа из двенадцати поднесущих 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.

Для заданной ширины полосы частот 15МГц  число ресурсных блоков равно 75, использование модуляции 64QAM (рассчитываем максимальную пропускную способность, поэтому выбираем наилучшие условия) и стандартного защитного интервала Cyclic Prefix, скорость передачи данных может быть рассчитана следующим образом. Каждый из 100 ресурсных блоков будет состоять из 12х6=72 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 = 75 [ресурсных блоков] ∙ 72 [Ресурсных элементов] ∙ 

∙6 [Бит] / 0.5 [мс] = 64.8 Мбит/с.

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. Максимальные затраты ресурсов на управление составят 25,2%. Реальная скорость данных 64.8Мбит/с-25,1%=48.5 Мбит/с. С учетом использования MIMO 2x2, скорость увеличится практически в 2 раза. Т.е. пропускная способность составит 97 Мбит/с.

 

5 Архитектура сети. Расчет оборудования

На рисунке 7 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 управлением радиоинтерфейсом LTE-Uu (динамическое распределение ресурсов, шифрование данных, HARQ, управление QoS, MIMO и пр.).

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 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.

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.).

Подключение же к сетям на базе 3GPP выполняется через S-GW посредством интерфейсов S3, S4 и S12 (не показаны на рисунке 6).  

Рисунок 6   Архитектура сети LTE

В данном случае площадь территории 19 000 км2. При этом площадь покрытия базовой станции для одного сектора  , поэтому требуется

19000/6500=3 eNodeB.

Требуемая пропускная способность сети 10200 Гбит/с. Рассчитаем требуемое количество БС по пропускной способности: 

10200/0,097=105155 eNodeB.

Окончательно имеем 105155 eNodeB требуется по пропускной способности.

Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному S-GW по условию – 190. Т.е. требуется 105155 /190= 554 S-GW.

Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному MME по условию – 390. Требуется 105155 /390=270 MME.

 

Заключение

В результате выполнения курсовой работы определена зона уверенного приема базовой станции для размещения в свободном пространстве. Для удовлетворения требований по пропускной  способности требуется 105155 eNodeB. Необходимое число S-GW – 554 шт. Необходимое число MME – 270 шт. При  этом требования по площади территории выполнены с запасом. 

 

Список литературы:

1. Тихвинский, В. О. Сети мобильной связи LTE: Технологии и архитектура  - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284с.

2. http://anisimoff.org/lte/lte.html  

3. Задания и методические указания на курсовую работу по дисциплине «Сети ЭВМ и телекоммуникации»