Файл: Контрольная работа По дисциплине Сети эвм и телекоммуникации Проектирование мобильной сети 4G (lte) Выполнил Группа.pdf

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
Контрольная работа
По дисциплине: Сети ЭВМ и телекоммуникации
Проектирование мобильной сети 4G (LTE)
Выполнил:
Группа:
Вариант: 03
Проверил: Дроздова В.Г.
Новосибирск, 2022 г.

- 2 -
Содержание
Задание и исходные данные
3 1 Модель Окамуры-Хата и ее модификация COST231 5
2 Бюджет восходящего и нисходящего каналов
6 3 Расчет радиуса и площади соты (Range and area calculation)
11 4 Расчет требуемой пропускной способности сети
13 5 Архитектура сети. Расчет оборудования
14
Заключение
16
Список литературы
17

- 3 -
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
1 2
3
4 5
6 7
8 9
0
Диапазон частот,
ГГц
2,0 1,8
1,9
1,8 3,6 1,95 2,4 3,4 0,46 0,84
Режим дуплексирования
FDD (отдельные симметричные полосы частот под UL и DL)
Ширина полосы частот (BW), МГц
5 10
15
20 5
10 20 15 10 20
Мощность передатчика eNB,
Вт
10 80
40
20 4
40 20 5
60 40
Мощность передатчика UE, дБм
20 21
22
23 20 21 22 23 23 23
Усиление антенны eNB, dBi
21 14
16
18 19 19 20 17 12 15
Потери в антенно- фидерном тракте, dB
2 2,1
2
1,5 0.4 1
1 0,6 3
3
Тип местности
*
DU
SU
U
U
FS
DU
Indoor
FS
RU
SU
Требуемая скорость в UL на краю соты, Мбит/с
1 0,256 0,26 0,512 0,512 0,256 1
1,256 0,128 0,256
Требуемая скорость в DL на краю соты, Мбит/с
2 0.5
0.6
1 1.1 1.2 2.2 2.5 0.5 0.9
Шумы eNB (NF), дБ
2 2,1
2,2
2,3 2,4 2,5 2,6 3
2,7 2
Шумы абонентского терминала UE
(NF), дБ
7 дБ – если фамилия начинается на букву из диапазона А-З
Высота подвеса антенны eNB, м
50 60
70
60 20 40 30 35 100 80
Высота антенны
UE, м
1,5 1,6
1,7
1,5 1,6 1,7 1,5 1,5 1,6 1,7
Потери сигнала на проникновения
(застройка), дБ
28 15
20
21 19 25 27 26 10 12
Площадь, тыс. км.кв
20 25
26
22 5
18 5
19 40 32
Число абонентов, тыс.чел
240 250
290
310 100 260 320 75 300 250

- 4 -
Объем трафика, скачиваемый абонентов в ЧНН
(DL), Мбайт
15 Мбайт – если имя начинается на букву из диапазона А-З
Число секторов на
БС (eNB)
1 3
2
3 1
3 2
1 3
2
Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному S-GW
100 150
200
120 140 160 210 190 180 170
Максимальное число eNodeB, подключаемых к одному MME
250 300
350
400 270 450 360 390 380 290
* U –Urban; DU – Dense Urban; FS – Free Space; RU – Rural; SU – Suburban.

- 5 -
1 Модель Окамуры-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 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 (1):
 
 
 
 
Lclutter
d
s
h
f
B
A
d
PL
BS









log log
82 13
log

, (1) где f –несущая частота сигнала в МГц; d – расстояние между приемником и передатчиком, км;
BS
h
– высота подвеса антенны БС eNodeB;
В
А,
– константы (таблица 2)
Таблица 2

Значения коэффициентов А и В для различных диапазонов частот.
Диапазоны частот, МГц
А
В
150-1500 69.55 26.16 1500-2000 46.3 33.9
Параметр

зависит от высоты антенны мобильной станции
MS
h
, от несущей частоты f, а также от типа местности (или клаттера) и определяется по формуле (2): для города:
 




97 4
75 11
log
2 3
2




MS
MS
h
h

, (2)
Составляющая в выражении (1) – Lclutter, зависящая от несущей частоты f и от типа местности, определяется как (3): для города:
0

Lclutter
. (3)
Составляющая s зависит от высоты базовой станции
BS
h
, от несущей частоты f и от расстояния между абонентом и базовой станцией d и определяется как (4):
 
 
 


 














км
d
для
h
f
км
d
для
f
s
BS
1
,
50
log
1
log
9 13
log
9 13 88 47 1
,
log
55 6
9 44
, (4)
Пример расчета
км
d
7

:










дБ
.
h
м
MS
442 0
97 4
7 1
75 11
log
2 3
97 4
75 11
log
2 3
7 1
2 2










;


 


дБ
f
км
s
23.424 1900
log
55 6
9 44
log
55 6
9 44 7







;

- 6 -


 
 
 


 
 
дБ
Lclutter
d
s
h
f
B
A
км
PL
BS
151.304 0
7
log
23.424 0.442 70
log
82 13 1900
log
9 33 3
46
log log
82 13
log
7





















Рисунок 1

Потери мощности радиосигнала при распространении
2 Бюджет восходящего и нисходящего каналов
В рамках данной контрольной 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 (2):
quiredSINR
se
ThermalNoi
e
NoiseFigur
RxSens
Re



, (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):




дБм
BW
se
ThermalNoi
102.239 10 15
log
10 174
log
10 174 6









,
(3) где BW – ширина полосы частот принимаемого сигнала в Гц, а -174дБм – уровень шума на 1 Гц полосы частот при температуре 20 0
С.

- 7 -
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 данной работы 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, 0.6 Мбит/с, полоса частот 15 МГц.
Для QPSK1/32 максимальная скорость=0.0625*15=0,9375 Мбит/с. RequiredSINR для такой скорости на краю соты = 2.1 дБ.
Требуемая скорость в UL на краю соты, 0.26 Мбит/с, полоса частот 15
МГц. Для QPSK1/32 максимальная скорость=0.0625*15=0,9375 Мбит/с.
RequiredSINR для такой скорости на краю соты = 2.1 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.

- 8 -
а) Бюджет нисходящего канала (DL Link Budget)
На рисунке 2 показано, из каких компонентов составляется бюджет нисходящего канала DL.
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
Расстояние (d), км
UE
eNodeB
Бюджет нисходящего
канала в сетях LTE
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.
nM
Penetratio
IM
MAPL_DL
MIMOGain
deB
AntGainENo
FeederLoss
deB
TxPowerENo
RxSensUE







. (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.

- 9 -
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.
Приемо-
передатчик БС
eNodeB
МШУ
Панельная антенна
БС с MIMO 2x2
Джампер
Фидер
- 0.5 дБ
- 0.4 дБ
- 2 дБ
Выигрыш от
MIMO 2x2:
+ 3 дБ
Усиление
антенны:
+3÷+24 дБи
Потери и выигрыши в антенно-
фидерном тракте базовой станции LTE
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. 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.
RxSensUE
nM
Penetratio
IM
MIMOGain
deB
AntGainENo
FeederLoss
deB
TxPowerENo
MAPL_DL








Произведем соответствующие расчеты:


дБм
quiredSINR
se
ThermalNoi
e
NoiseFigur
RxSensUE
93.139 1
2 102.239 7
Re










- 10 -
 
дБм
deB
TxPowerENo
46.021 30 40
log
10



;


дБ
RxSensUE
nM
Penetratio
IM
MIMOGain
deB
AntGainENo
FeederLoss
deB
TxPowerENo
MAPL_DL
132.26 93.139 20 3
3 16
)
2 5
0 4
0
(
46.021



















б) Бюджет восходящего канала (UL Link Budget)
На рисунке 4 представлены основные составляющие бюджета восходящего канала UL.
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
Расстояние (d), км
UE
eNodeB
Бюджет восходящего
канала в сетях LTE
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.

- 11 -
nM
Penetratio
IM
MAPL_UL
MIMOGain
deB
AntGainENo
FeederLoss
TxPowerUE
eB
RxSensENod







(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:


дБм
quiredSINR
se
ThermalNoi
e
NoiseFigur
eB
RxSensENod
97.939 1
2 102.239 2
2
Re












дБ
RxSensUE
nM
Penetratio
IM
MIMOGain
deB
AntGainENo
FeederLoss
deB
TxPowerENo
MAPL_UL
113.039 97.939 20 3
3 16
)
2 5
0 4
0
(
2 2




















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 выбранную модель распространения сигнала и, рассчитав максимально допустимые потери сигнала в обоих направлениях, получаем радиус соты в восходящем канале 0,34км и в нисходящем канале 1,1км. В результате, зона действия соты LTE ограничена радиусом 0,34 км (рис.5).