Microsoft Word ПоёцничеРфнаё запицка Ѐёзапов Ѐ. Х. ПММ-52

4.Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)
Сроки выполнения по разделам
1. Обзор технологий LTE/LTE Advanced
2. Планирование и проектирование сети LTE города Петропавловск Северо-Казахстанской области
3. Исследование помехоустойчивости каналов связи технологии LTE
Оформление диссертационной работы

Дата выдачи задания

Руководитель

подпись
Задание принял к исполнению

Студент

подпись
АННОТАЦИЯ
Выпускной квалификационной работы студента:
по теме «Исследование эффективности технологий LTE/LTE Advanced при проектировании региональных сетей»
Объём работы – 79 страниц, на которых размещены 34 рисунка и 11 таблиц. При написании работы использовалось 29 источников.
Ключевые слова: сети мобильной связи, стандарт LTE, технология 4G, проектирование сетей, технология MIMO
Работа выполнена: в СибГУТИ, на кафедре Линии связи Руководитель: Петров Виктор Петрович
Данная диссертация посвящена организации сети беспроводного доступа к сети Интернет в городе Петропавловск с применением технологии LTE. Были рассмотрены ключевые показатели технологий стандарта 4G, архитектура сетей LTE, требования к построению и функционированию сети LTE. Произведён расчет энергетических характеристик сети, производительности и ёмкости сети на примере города Петропавловск.
Произведен выбор необходимого оборудования. Исследованы способы разнесенного приема сигнала.
SUMMARY
Final qualifying work of the student:
On the topic of « TE / LTE Advanced Technologies in the Design of Regional Networks »
Scope of work – 79 pages containing 34 figures and 11 tables. When writing work was used 29 sources.
Keywords: mobile network, LTE standard, 4G technology, network design, MIMO technology
Work completed: , Department of Educator: Petrov V. P.
This thesis is devoted to the organization of a wireless Internet access network in the city of Petropavlovsk using LTE technology. Key indicators of 4G technologies, LTE network architecture, requirements for the construction and operation of the LTE network were considered. The calculation of the power characteristics of the network, performance and capacity of the network based on the example of Petropavlovsk was made. Selection of the necessary equipment has been made. Methods of diversity reception of a signal are investigated.
Содержание
Введение 7

1. 
   Обзор технологий LTE/LTE Advanced 8
   
   1. 
      Эволюция и развитие поколений мобильных систем от 3G до 5G 8
      
   2. 
      Общая характеристика и особенности цифровых систем связи стандарта 5G 11
      
   3. 
      Принципы построения радиоинтерфейса по технологии LTE 14
      
   4. 
      Архитектура сетей LTE/LTE Advanced 23
      
   5. 
      Общие принципы технологии MIMO в сетях LTE 27
      
2. 
   Планирование и проектирование сети LTE города Петропавловск Северо-Казахстанской области 31
   
   1. 
      Ключевые задачи при моделировании сети 31
      
   2. 
      Современные подходы к планированию сети LTE 31
      
   3. 
      Перспективы модернизации сетей связи от 2G/3G
      

к LTE 33

4. 
   Выбор структуры будущей абонентской сети,
   

исходные данные 40

5. 
   Оценка радиопокрытия проектируемой сети 4G для
   

г. Петропавловск 40

3. 
   Исследование помехоустойчивости каналов связи
   

технологии LTE 55

1. 
   Формализация модели 55
   
2. 
   Имитационное моделирование 64
   

Заключение 76
Список использованных источников 77
Введение

В настоящее время сеть телекоммуникаций Республики Казахстан характеризуется большими возможностями. Стратегической задачей развития национальной телекоммуникационной информационной инфраструктуры является обеспечение казахстанского общества средствами и услугами связи высокого качества в необходимом объеме и по доступным ценам. Это позволит создать высококачественные цифровые сети связи, сети передачи данных, высокоскоростные системы факсимильной связи, системы получения информации из банков данных, системы обработки сообщений и системы подвижной связи, обеспечивающие как речевой, так и документальный обмен.

Проблемы развития сетей некоторых регионов определяются, в частности, низкой плотностью населения (большим разбросом этого показателя по регионам), высоким уровнем капитальных удельных затрат. Это вызывает необходимость применения таких технических средств и решений, как концентраторы, спаренное включение аппаратов, системы радиосвязи с многократным использованием выделенного диапазона частот, применение систем передачи. Все эти системы должны быть приспособлены для организации мобильной связи. Наряду с традиционными услугами связи в республике активно внедряются новые виды услуг: мобильная и спутниковая связь.
Одним из способов применения мобильной связи является использование систем беспроводного радиодоступа для решения проблем развития местной связи. В настоящее время диапазоны частот 2,4-2,4835 ГГц, 3,4-3,6 ГГц, 5,2-5,9 ГГц используются в основном новыми широкополосными системами беспроводного радиодоступа WLL для телефонии, передачи данных, доступа к сети Интернет. Технология LTE введена во множестве городов Казахстана. Организация абонентского доступа к мультисервисной сети на базе 4G актуальна в свете обеспечения абонентов скоростной новейшей технологией и новыми услугами. Главной особенностью современного этапа развития систем сотовой связи является переход к системам четвертого поколения. Переход к сетям 4G позволяет качественно изменить нынешнюю ситуацию в области мобильной связи. Связано это, прежде всего с тем, что сети 4G позволяют предоставлять клиентам широкий диапазон новых услуг, которые способны существенно повысить доходы операторов, а для производителей - продажи сетевого оборудования и телефонов. В магистерской диссертации предложено решение задачи абонентского доступа к мультисервисной сети на базе технологии 4G.

1. 
   Обзор технологий LTE/LTE Advanced
   

1. 
   Эволюция и развитие поколений мобильных систем от 3G до 5G
   

5G - (5-е поколение мобильных сетей или 5-е поколения беспроводных систем) название, используемое в научных работах и проектах для обозначения следующих основных фаз мобильных телекоммуникационных стандартов после стандартов 4G. В настоящее время, 5G не является официальным термином, использования для какой-либо конкретной спецификации или в каких-либо официальных документах до опубликования телекоммуникационными компаниями или органами по стандартизации, такими как 3GPP, WiMAX Forum и МСЭ-R. Телекоммуникационные сети 5G должны решить проблемы, которые присутствуют в сетях 4G.

Поколение	Наименование стандарта
0G	PTT, MTS,IMTS, AMTS, Mobitex, Autotel/PALM, ARP
1G	NMT, AMPS, Hicap
2G	GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, GPRS, HSCSD, WiDEN
2.75G	EDGE/EGPRS, CDMA2000 (1xRTT)
3G	UMTS (W-CDMA, FOMA), CDMA2000 (1xEV-DO/IS-856), TD- SCDMA, WiMAX
3.5G	UMTS (HSPA, HSDPA, HSUPA), CDMA2000 (EV-DO Rev.A)
3.75G	UMTS (HSPA+), CDMA2000 (EV-DO Rev.B/3xRTT)
4G	WiMAX, LTE
5G	WiMAX, LTE, CDMA

Поколения систем мобильной связи представлены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Поколения систем мобильной связи
Стандарт 5G - новый этап развития технологий, который обеспечит неограниченный доступ к сети пользователей и устройств.
С момента появления и до сегодняшнего дня сети мобильной связи прошли большой путь развития; появились новые типы пользовательских устройств - смартфоны и планшеты. Возможности, которые открывают мобильные технологии сегодня, уже давно вышли за рамки голосовых услуг, создавая новые способы общения, обмена данными. Распространение устройств привело к экспоненциальному росту трафика в сетях по всему миру. Однако это только начало той революции, которой способствует активное развитие технологий.
Технологии продолжат свое развитие в направлении к более высокой производительности и всё большему числу возможностей. В дополнение к существующим технологиям радиодоступа, появятся также новые технологии, которые позволят решать те задачи, которые решить с помощью 3G/4G невозможно. Интеграция существующих и новых технологий будет
способствовать повышению качества существующих пользовательских услуг и появлению новых. Перспектива развития технология мобильных сетей представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Развитие мобильных сетей до 2020 года

Основные характеристики систем мобильной связи в соответствии с поколениями представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Характеристика систем мобильной связи

Поколение	3G	4G	5G
Начало разработок	1990	2000	2013
Реализация	2002	2008-2010	2018-2020
Сервисы	Ещё большая ёмкость, скорость до 2 Мбит/с	Большая ёмкость, IP- ориентированная сеть, поддержка мультимедиа, скорость до сотен мегабит в секунду	Большая ёмкость, IP- ориентированная сеть, поддержка мультимедиа, скорости до сотен мегабит в секунду
Скорость передачи	2 Мбит/с	100 Мбит/с – 1 Гбит/с	1 Гбит/с - 10 Гбит/с
Стандарты	WCDMA, CDMA2000, UMTS	LTE-Advanced, WiMax Release 2 (IEEE 802.16m), WirelessMANAdvanced	LTE-Advanced, WiMax Release 2 (IEEE 802.16m), WirelessMAN- Advanced
Сеть	Сеть пакетной передачи данных	Сеть пакетной передачи данных	Сеть пакетной передачи данных

Системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access -
TDMA). Однако уже в 1992-1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access - CDMA) - стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причём в Южной Корее наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло своё распространение и в Японии, где в 1991 -1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System - буквально «система персонального ручного телефона»).
3.5G – HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access - высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) - стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвёртого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях - около 8 Мбит/сек.
4G – Технологии, претендующие на роль 4G (и очень часто упоминаемые в прессе в качестве 4G):

• 
  LTE;
  
• 
  TD-LTE;
  
• 
  Mobile WiMAX;
  
• 
  UMB;
  
• 
  HSPA+.
  

В настоящее время запущены сети WiMAX и LTE. Первую в мире сеть LTE в Стокгольме и Осло запустил альянс TeliaSonera/Ericsson – расчётное значение максимальной скорости передачи данных к абоненту составляет 382 Мбит/с и 86 Мбит/с - от абонента. Насчёт UMB планы внедрения не известны, так как ни один оператор (в мировом масштабе) не заключил контракт на его тестирование. Стоит отметить, что стандарт WiMAX не все относят к 4G, так как он не интегрирован с сетями предыдущих поколений таких как 3G и 2G, а также из-за того, что в сети WiMAX сами операторы не предоставляют традиционные услуги связи, такие как голосовые звонки и SMS, хотя и пользование ими возможно при использовании различных VoIP сервисов. IMT разрешил сетям HSPA+ называться 4G, т.к. они обеспечивают соответствующие скорости.

2. 
   Общая характеристика и особенности цифровых систем связи стандарта 5G
   

В свое время Международный союз электросвязи призвал мобильное сообщество не использовать термины, обозначающие порядковый номер поколений сиcтем IMT, ссылаясь на то, что введенные ранее термины

«последующие системы» («IMT и последующие системы») и «будущее развитие IMT-2000» употреблялись как временные. В Резолюции МСЭ-Р №
56 «Определение названий для международной подвижной электросвязи» разъясняется соотношение между терминами «IMT-2000» и «будущее развитие IMT-2000», а также приводятся новые названия систем, которые включают новые радиоинтерфейсы с возможностями последующих систем.
Согласно указанной резолюции, использование термина «IMT-2000», как и прежде, подходит для описания IMT-2000, а кроме того, под ним следует понимать усовершенствование и будущее развитие этих систем. Термин «IMT-Advanced» следует применять к системам, компонентам систем и связанным с ними аспектам, которые включают новые радио интерфейсы, поддерживающие новые возможности последующих систем. Корневым названием является термин «IMT», охватывающий одновременно IMT-2000 и IMT-Advanced.
«5G» (5-е поколение мобильных сетей или 5-е поколение беспроводных систем) - название, которое сегодня неофициально используется в некоторых исследовательских проектах для обозначения последующих стандартов мобильной связи, продолжающих стандарты предыдущих поколений (официального 3G и условно введенного 4G). Таким образом, 5G не является официальным термином для обозначения какой- либо конкретной спецификации и, как следствие, новые стандарты по дальнейшему развитию ныне действующих систем LTE не рассматриваются органами стандартизации в качестве нового поколения систем мобильной связи, а считаются лишь частью действующих стандартов.
Принимая во внимание вышесказанное, но в то же время стремясь к простоте обозначения новых стандартов и решений при их описании, в данной работе будем все-таки использовать термин «5G».
В технологическом плане общая позиция по этому вопросу изложена компанией Ericsson. В этом документе отмечается, что сегодня существует целый ряд приложений, которые требуют очень малых временных задержек в сети (дистанционные измерения, обеспечение безопасности дорожного движения, управление производственными процессами и т. д.), высокого уровня надежности сети (управление критической инфраструктурой - сети передачи электроэнергии, индустриальный контроль и обеспечение таких жизненно важных социальных функций, как транспорт, телемедицина, управление «умным» городом и домом), а также соответствующих форматов быстрой передачи разных объемов данных (больших объемов - при
удаленном видеонаблюдении, малых — при отслеживании движения грузов и т. д.).
В развитие этой позиции выделяется ряд конкретных требований, которые не могут быть удовлетворены посредством существующих сетей связи. К ним относятся:

• 
  скорость доставки пользовательских данных в любой точке в сотни мегабит в секунду;
  
• 
  сверхвысокая пропускная способность (несколько гигабит в секунду) в определенных сценариях; это может быть достигнуто в сетях со сверхплотной архитектурой при очень широкой полосе радиоканала (несколько сотен мегагерц) в более высоких диапазонах частот (10-100 ГГц);
  
• 
  cоединение большого количества коммуникационных устройств машинного типа, имеющих низкую потребляемую мощность. В стандартах LTE этот аспект уже рассматривается, но пока, на данной стадии, развить LTE таким образом, чтобы выполнить все приложения с их особыми специфическими требованиями, будет трудно - потребуются альтернативные технологии, повсеместно обеспечивающие возможность соединения устройств с ограниченным потреблением энергии;
  
• 
  ближайшая коммуникация, когда необходимо поддерживать соединение между близко расположенными пользователями или объектами (к примеру, между транспортными средствами при обеспечении безопасности дорожного движения). Такая коммуникация может быть более эффективной, если обмен информацией осуществляется непосредственно между устройствами (Device-toDevice, D2D), минуя сетевую архитектуру;
  
• 
  эффективное использование потребляемой электроэнергии, которая в перспективе будет иметь еще большее значение и должна существенно повлиять на дизайн сети радиодоступа в 5G.
  

Основные требования к 5G можно распределить по нескольким доменам:

• 
  новый радио интерфейс с малыми сотами (New Air I nterface (Small Cells)) - должен базироваться на новых формах колебаний (New waveform), новых видах дуплекса (New duplexing), простых и гибких протоколах канального уровня (Light MAC), высоких порядках модуляции (Higher order modulation), эффективных методах компенсации внутрисистемных помех (Interference cancelation/utilization) и много-мерных антенных системах (Massive MIMO);
  
• 
  новая архитектура радиосети (New NW Archi tecture) - распределение и управление ресурсами в гетерогенной архитектуре HetNet (HetNet resource allo cation&management), реконфигурируемые радио- и сетевые элементы SDR и SDN (Software Defined Radio, Software Defined Networks), передача пользовательских данных и управляющей информации (служебных команд) в разных физических средах (Physical separation between data&control planes);
  
• 
  радиочастотный ресурс (Radio Frequency) - использование высоких диапазонов частот, включая диапазон миллиметровых волн (Millimeter wave), новый режим лицензирования (New licensing regime), использование лицензируемого и нелицензируемого спектра (Licensed&unlicensed band operation), совместное использование спектра (Spectrum sharing), комбинированное применение спектра внутри помещений и в наружной среде (Indoor-Outdoor operation);
  
• 
  интеллектуальные и адаптивные сети (Intelligent &Adaptive Networks) - стохастическое и адаптивное использование сетевых ресурсов (Opportunistic&adaptive use of resources), обнаружение доступного спектра (Spectrum sensing) и его использование на принципах когнитивного радио (Cognitive radio and network), самоуправляемые (самоконфигурируемые) и автоматизированные сети (Selfmanagement and automated networks, Automation (plug&play)).
  

Уже сегодня в Корее разработали и успешно протестили технологию сотовой связи, которая позволяет передавать данные на очень больших скоростях. Эта технология называется Nomadic Local Area Wireless Access (NoLA) и она может быть использована в сетях пятого поколения 5G. Эта технология поддерживает скорость загрузки в 3,6 Гбит/сек, что выше скорости 4G, равной 1 Гбит/сек. Новая же технология позволит скачать полнометражный фильм в DVD-качестве всего за несколько секунд. Естественно, что бы перейти на этот стандарт придётся построить сеть 4G, строительство которых уже идёт полным ходом. Кто первым из операторов- конкурентов запустит сеть 5G станет лидером в передаче данных на больших скоростях.
Сети третьего поколения 3G работают на частотах диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д. В мире сосуществуют два стандарта 3G: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000. UMTS распространен в основном в Европе, CDMA2000 - в Азии и США. 4G – это еще более новая технология мобильной связи, характеризующаяся большей скоростью передачи данных и повышенным качеством сигнала и передачи звука без искажения. К 4G относятся технологии, которые способны передавать данные со скоростью свыше 100 Мбит/с. 4G основана на протоколах пакетной передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv6, а для передачи данных используются частоты 40 и 60 Гц.
Аналитическая компания ON World опубликовала отчет, согласно которому расходы на исследования и развитие беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Networking) составят $2,7 млрд в 2017 г. (в 2015 г. было всего $1,6 млрд).
В США основным драйвером R&D-инвестиций в WSN являются разработки систем управления электроэнергетикой. Особое внимание
уделяется системам интеллектуальных измерений. Ведутся работы в области управления энергоснабжением со стороны конечных клиентов, возобновляемых источников энергообеспечения, что позволит сэкономить миллиарды долларов в течение следующего десятилетия. Национальный научный фонд (National Science Foundation) работает сразу над 400 WSN- проектами и за последние 5 лет удвоил финансирование.
В течение последних 5 лет финансирование со стороны ЕС в R&D, связанных с WSN, увеличилось на 700 %. Основные исследования – медицина (удаленный мониторинг пациентов и удаленное наблюдение за пожилыми людьми). В планах - инвестировать в следующие 5 лет более $1 млрд (проект Ambient Assisted Living).
Среди других регионов с сильной активностью в области WSN - Австралия, Канада, Китай и Корея. В целом разработки ведутся для защиты окружающей среды (30 %), медицины (30 %), а также для защиты общественного порядка, транспорта, промышленности. Подобных примеров перспективного использования мобильной связи может быть много, но очевидно, что с беспроводной инфраструктурой надо что-то делать.

2. 
   Принципы построения радиоинтерфейса по технологии LTE
   

LTE базируется на трех основных технологиях: мультиплексирование посредством ортогональных несущих OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), многоантенные системыMIMO (Multiple Input Multiple Output) и эволюционная системная архитектура сети (System Architecture Evolution) [4].

Принципиально, что дуплексное разделение каналов может быть как частотным (FDD), так и временным (TDD). Это позволяет операторам очень гибко использовать частотный ресурс. Такое решение открывает путь на рынок тем компаниями, которые не обладают спаренными частотами. С другой стороны, поддержка FDD очень удобна для традиционных сотовых операторов, поскольку у них спаренные частоты есть «по определению» – так организованы практически все существующие системы сотовой связи. Сама же по себе система FDD существенно более эффективна в плане использования частотного ресурса, чем TDD, – в ней меньше накладных расходов (служебных полей, интервалов и т.п.).Обмен между базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС) строится по принципу циклически повторяющихся кадров (в терминологии LTE – радиокадр) Длительность радиокадра – 10 мс.
Все временные параметры в спецификации LTE привязаны к минимальному временному кванту 𝑇_c = 1 /(2048 · 𝛥𝑓), где 𝛥𝑓 – шаг между поднесущими, стандартно – 15 кГц. Таким образом, длительность радиокадра
– 307200𝑇_c. Сам же квант времени соответствует тактовой частоте 30,72
МГц, что кратно стандартной в 3Gсистемах (WCDMA с полосой канала 5 МГц) частоте обработки 3,84 МГц (83,84 = 30,72).
Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров[4]. Тип 1 предназначен для частотного дуплексирования – как для полного дуплекса, так и для полудуплекса. Такой кадр состоит из 20 слотов (длительностью 0,5 мс), нумеруемых от 0 до 19. Два смежных слота образуют субкадр (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Структура кадра LTE при частотном разделении дуплексных каналов

Из рисунка 1.2 видно, что, при полнодуплексном режиме радиокадры в восходящем и нисходящем каналах передаются параллельно, но с оговоренным в стандарте временным сдвигом.
Радиокадр типа 2 предназначен только для временного дуплексирования. Он состоит из двух полукадров длительностью по 5 мс (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – Структура кадра LTE при временном разделении дуплексных каналов
Из рисунка 1.3 [4] видно, что каждый полукадр включает 5 субкадров длительностью 1 мс. Стандарт предусматривает два цикла временного дуплексирования – 5 и 10 мс. В первом случае 1-й и 6-й субкадры идентичны и содержат служебные поля DwPTS, UpPTS и защитный интервал GP. При10-мс цикле TDD 6-й субкадр используется для передачи данных в нисходящем канале. Субкадры 0 и 5, а также поле DwPTS всегда относятся к нисходящему каналу, а субкадр 2и поле UpPTS – к восходящему. Возможно
несколько вариантов длительности полей DwPTS, UpPTS и GP, но их сумма всегда равна 1 мс.
Как уже отмечалось, в LTE используется модуляция OFDM, хорошо исследованная в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX. Напомним, технология OFDM предполагает передачу широкополосного сигнала посредством независимой модуляции узкополосных поднесущих вида
𝑆_k(𝑡) = 𝑎𝑘 · 𝑠𝑖𝑛 [2𝜋 (𝑓0 + 𝑘𝛥𝑓)],
расположенных с определенным шагом по частоте 𝛥𝑓. Один OFDM-символ содержит набор модулированных поднесущих. Во временной области OFDM-символ включает поле данных (полезная информация) и так называемый циклический префикс CP (Cyclic Prefix) – повторно передаваемый фрагмент конца предыдущего символа. Назначение префикса
– борьба с межсимвольной интерференцией в приемнике вследствие многолучевого распространения сигнала. Отраженный сигнал, приходящий с задержкой, попадает в зону префикса и не накладывается на полезный сигнал. В LTE принят стандартный шаг между поднесущими 𝛥𝑓 = 15 кГц, что соответствует длительности OFDM-символа 66,7 мкс.
Каждому абонентскому устройству (АУ) в каждом слоте назначается определенный диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области – ресурсная сетка (рисунок 1.4) [6].
Рисунок 1.4 – Ресурсная сетка LTE при стандартном шаге поднесущих
𝛥𝑓 = 15кГц
Из рисунка 1.4 видно, что ячейка ресурсной сетки – так называемый ресурсный элемент – соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12поднесущих (т.е. 180 кГц) и 7 или 6 OFDM- символов, в зависимости от типа циклического префикса – так, чтобы общая длительность слота составляла 0,5 мс. Число ресурсных блоков NRB в ресурсной сетке зависит от ширины полосы канала и составляет от 6 до 110 (ширина частотных полос восходящего/нисходящего каналов в LTE – от 1,4 до 20 МГц.

1. 
   Нисходящий канал
   

В нисходящем и восходящем канале применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов.

Помимо описанного физического структурного блока вводится понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов физического блока в логический – один в один и распределено. В последнем случае элементы логического ресурсного блока оказываются распределенными по всей доступной ресурсной сетке.
В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы. Опорные сигналы могут быть трех видов – опорный сигнал, характеризующий ячейку (Cell-specific), сигнал, связанный с конкретным абонентским устройством, и сигнал для специального широковещательного мультимедийного сервиса MBSFN [6]. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма). На основе этих измерений можно определить реакцию канала для остальных поднесущих и с помощью интерполяции восстановить их исходную форму.
Опорный сell-specific-сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала (кроме случаев MBSFN-передачи). Форма сигнала определяется на основе псевдослучайной последовательности Голда (вариант m-последовательности), при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). Такой опорный сигнал равномерно распределен по ресурсным элементам (рисунок 1.5). Так, при
стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM- символе, при
расширенном СР – во время 0-го и 3-го OFDM-символа. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.
Рисунок 1.5 – Расположение опорного сигнала (сell-specific) в нисходящем канале ресурсной сетки LTE в случае работы с одной антенной

Из рисунка 1.5 [4] видно, что формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации. Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза OFDM-символов. Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС- уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбо-кода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {𝑥(𝑖)} выполняется процедура вида 𝑑𝑠𝑐𝑟⁽𝑖⁾ = 𝑥⁽𝑖⁾ +

𝑐(𝑖), где 𝑐(𝑖) – определенная скремблирующая последовательность). Затем формируются комплексные модуляционные символы (QPSK, 16- и 64-QAM) и распределяются по ресурсным элементам. Далее происходит синтез OFDM- символов, их последовательность поступает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне. На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке.

2. 
   Восходящий канал
   

Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность. В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.
Основной недостаток технологии OFDMA – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR - Peak to Average Power Ratio). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным Гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMA, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала.
Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов.
В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей) [1]. Принципиальное ее отличие – если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC- FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков) (рисунок 1.6) [4].

Рисунок 1.6 – Расположение опорного сигнала (сell-specific) в нисходящем канале ресурсной сетки LTE в случае работы с одной антенной

Из рисунка 1.6 [1] видно, что структура SC-FDMA-сигнала во многом аналогична технологии OFDM. Так же используется композитный сигнал – модуляция множества поднесущих, расположенных с шагом 𝛥𝑓.

Принципиальное отличие в том, что все поднесущие модулируются одинаково - т.е. единовременно передается только один модуляционный символ. При этом ресурсная сетка полностью аналогична нисходящему каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом 𝛥𝑓 = 15 кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5мс – во временной. Ресурсному блоку соответствуют 7 SC- FDMA-символов при стандартном циклическом префиксе и 6 – при расширенном. Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7 мкс (длительности соответствующих циклических префиксов также равны).

Рисунок 1.7 – Различие между OFDMA и SC-FDMA при передаче последовательности QPSK-символов

Из рисунка 1.7 [1] видно, что в сетке может быть от 6 до 110 ресурсных блоков, но их число должно быть кратно 2, 3 или 5, что связано с процедурой дискретного Фурье-преобразования. Еще одна особенность – поддержка модуляции 64-QAM в АУ опциональна. Каждому абоненту сети для передачи данных от базовой станции с помощью функции планирования на определенное время выделяется определенное число ресурсных блоков. Расписание передается абонентам по служебным каналам в нисходящем радиоканале. Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC- FDMA-символ содержит несколько модуляционных символов – в идеале столько же, сколько поднесущих – но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA, что полностью отвечает условиям

теоремы Котельникова-Шеннона.
Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA. Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), т.е. формируют аналоговый сигнал. А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-преобразования синтезируют сигнал, соответствующий независимой модуляции каждой поднесущей, добавляют
циклический префикс и генерируют выходной ВЧ-сигнал. В результате такого подхода передатчик и приемник.
OFDMA- и SC-FDMA-сигналов [1] имеют схожую функциональную структуру (рисунок 1.8 и 1.9).

Рисунок 1.8 – Особенность формирования выходного сигнала в случае

SC-FDMA

Из рисунка 1.8 отметим, что АУ может использовать как фиксированный частотный диапазон (используются смежные ресурсные блоки, т.е. смежные поднесущие), так и распределенный – так называемый режим скачкообразной перестройки частоты (FH). В последнем случае для каждого слота восходящего канала используется новый ресурсный блок из доступной ресурсной сетки. Параметры перестройки частоты задаются сетевым оборудованием и сообщаются как при инициализации абонентской станции в сети, так и по ходу работы в канале управления. В случае распределенного способа – информация от каждого абонента распложена во всем спектре сигнала, поэтому данный способ устойчив к частотно- избирательному замиранию[3].

Рисунок 1.9 – Способы распределения поднесущих в SC-FDMA

Из рисунка 1.9 видно, что с другой стороны, при локализованном способе распределения возможно определить полосу, в которой для данного абонента достигается максимальная устойчивость канала к замираниям. Поскольку области замирания сигнала для всех абонентов различны, то можно достичь общую максимальную эффективность использования радиоканала. Однако это требует непрерывного сканирования частотной

характеристики канала для каждого устройства и организации функции диспетчеризации.
Помимо собственно информации, генерируемой функциями верхних уровней, в восходящем канале передаются опорные сигналы. Их назначение
– помочь приемнику БС настроиться на определенный передатчик АУ. Кроме того, эти сигналы позволяют оценить качество канала, что используется в БС при диспетчеризации ресурсов. Опорные сигналы в восходящем канале бывают двух видов – так называемые «демодулированные» и зондовые (sounding). Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. Они передаются на постоянной основе. Так, в общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом SC-FDMA-символе каждого слота при стандартом СР. Зондовые сигналы апериодичны. Их основное назначение – дать БС возможность оценить качество канала, если передача еще не ведется.

2. 
   Архитектура сетей LTE/LTE Advanced
   

Архитектура сети LTE разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой «гладкой» («бесшовной», seamless) мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания.

Мобильность как функция сети обеспечивается двумя её видами: дискретной мобильностью (роумингом) и непрерывной мобильностью (хэндовером). Поскольку сети LTE должны поддерживать процедуры роуминга и хэндовера со всеми существующими сетями, для LTE-абонентов (терминалов) должно обеспечиваться повсеместное покрытие услуг беспроводного широкополосного доступа.
Пакетная передача позволяет обеспечить все услуги, включая передачу пользовательского голосового трафика. В отличие от большинства сетей предыдущих поколений, в которых наблюдается достаточно высокая разнотипность и иерархичность сетевых узлов (так называемая распределённая сетевая ответственность), архитектуру сетей LTE можно назвать «плоской», поскольку практически всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой станцией (БС), которая в технических спецификациях называется B-узлом (Node-B, eNB) и блоком управления мобильностью БУМ (MME, Mobility Management Entity), как правило, включающим и сетевой шлюз Ш (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW.
Отметим, что контроллер радиосети, игравший весьма значительную роль в сетях предыдущих поколений, устранён от управления потоком данных (фактически он даже отсутствует в структурных схемах), а его
традиционные функции - управление радиоресурсами сжатие заголовков, шифрование, надёжная доставка пакетов и др. переданы непосредственно БС. БУМ работает только со служебной информацией - так называемой сетевой сигнализацией, так что IP-пакеты, содержащие пользовательскую информацию, через него не проходят. Преимущество наличия такого отдельного блока сигнализации в том, что пропускную способность сети можно независимо наращивать как для пользовательского трафика, так и для служебной информации. Главной функцией БУМ является управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэндовер, установление служебных и
пользовательских каналов и др.
Среди всех сетевых шлюзов отдельно выделены два: обслуживающий шлюз ОШ (S-GW, Serving Gateway) и шлюз пакетной сети (P-GW, Packet Data Network Gateway), или, короче, пакетный шлюз (ПШ). ОШ функционирует как блок управления локальной мобильностью, принимая и пересылая пакеты данных, относящиеся к БС и обслуживаемым им ПТ. ПШ является интерфейсом между набором БС и различными внешними сетями, а также выполняет некоторые функции IP-сетей, такие, как распределение адресов, обеспечение пользовательских политик, маршрутизация, фильтрация пакетов и др.
Как и в большинстве сетей третьего поколения, в основу принципов построения сети LTE положено разделение двух аспектов: физической реализации отдельных сетевых блоков и формирования функциональных связей между ними. При этом задачи физической реализации решаются, исходя из концепции области (domain), а функциональные связи рассматриваются в рамках слоя (stratum).
Первичным разделением на физическом уровне является разделение архитектуры сети на область пользовательского оборудования (UED, User Equipment Domain) и область сетевой инфраструктуры (ID, Infrastructure Domain). Последняя, в свою очередь, разделяется на (под)сеть радиодоступа (E-UTRAN, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и базовую (пакетную) (под)сеть (EPC, Evolved Packet Core).
Пользовательское оборудование - это совокупность ПТ с различными уровнями функциональных возможностей, используемых сетевыми абонентами для доступа к LTE-услугам. При этом в качестве пользовательского терминала может фигурировать как реальный («живой») абонент, пользующийся, к примеру, услугами голосового трафика, так и обезличенное устройство, предназначенное для передачи / приёма определённых сетевых или пользовательских приложений.
На рисунке 1.10 показана обобщённая структура сети LTE, из которой видно наличие двух слоёв функциональных связей: слоя радиодоступа (AS, Access Stratum) и внешность слоя радиодоступа (NAS, Non-Access Stratum).
Показанные на рисунке 1.10 овалы со стрелками обозначают точки доступа к услугам.
Рисунок 1.10 – Обобщённая структура сети LTE
Стык между областью UE пользовательского оборудования и областью сети радиодоступа UTRAN называется Uu-интерфейсом; стык между областью сети радиодоступа и областью базовой сети EPC - S1-интерфейсом. Состав и функционирование различных протоколов, относящихся к интерфейсам Uu и S1, разделены на две так называемых плоскости: пользовательскую плоскость (UP, User Plane) и плоскость управления (CP, Control Plane).
Вне слоя доступа действуют механизмы управления мобильностью в базовой сети (EMM, EPC Mobility Management).
В пользовательской плоскости реализованы протоколы, обеспечивающие передачу пользовательских данных по радиоканалу. К плоскости управления относятся те протоколы, которые в различных аспектах обеспечивают соединение между ПТ и сетью. Также к этой плоскости относятся протоколы, предназначенные для транспарентной (прозрачной) передачи сообщений, относящихся к предоставлению различных услуг.
Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети (RNL, Radio Network Layer) и уровень транспортной сети (TNL, Transport Network Layer). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе X2-интерфейса (рисунке 1.11). Кроме того, имеет место транзитное соединение между базовыми станциями и базовой сетью через блок управления мобильностью (S1-MM-интерфейс) или обслуживающий узел (S1-U-интерфейс) - на рисунке 1.11 не показаны. Таким образом, можно утверждать, что S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками БУМ/ОУ.

Рисунок 1.11 – Обобщённая структура сети LTE

Прежде, чем обратиться к изучению протоколов сети LTE, определённых в различных интерфейсах и плоскостях, рассмотрим назначение функциональных блоков сети радиодоступа.
На БС в сетях LTE возложено выполнение следующих функций:

• 
  Управление радиоресурсами: распределение радиоканалов, динамическое распределение ресурсов в восходящих и нисходящих направлениях - так называемое диспетчеризация ресурсов (scheduling) и др.;
  
• 
  Сжатие заголовков IP-пакетов, шифрование потока пользовательских данных;
  
• 
  Выбор блока управления мобильностью при включении в сеть пользовательского терминала при отсутствии у того информации о прошлом подключении;
  
• 
  Маршрутизация в пользовательской плоскости пакетов данных по направлению к обслуживающему шлюзу;
  
• 
  Диспетчеризация и передача вызывной и вещательной информации, полученной от БУМ;
  
• 
  Диспетчеризация и передача сообщений PWS (Public Warning System, система тревожного оповещения), полученных от БУМ;
  
• 
  Измерение и составление соответствующих отчётов для управления мобильностью и диспетчеризации.
  

Блок управления мобильностью обеспечивает выполнение следующих функций:

• 
  Передача защищённой информации о точках доступа к услугам и защищённое управление точками доступа;
  
• 
  Передача информации в базовую сеть для управления мобильностью между различными сетями радиодоступа;
  
• 
  Управление БС, находящимися в состоянии ожидания, включая перенаправление вызовов;
  
• 
  Управление списком зон отслеживания ПТ;
  
• 
  Выбор обслуживающего шлюза и шлюза пакетной сети для сетей радиодоступа различных стандартов;
  
• 
  Выбор нового блока управления мобильностью при выполнении хэндовера;
  
• 
  Роуминг;
  
• 
  Аутентификация;
  
• 
  Управление радиоканалом, включая установку выделенного канала.
  

Обслуживающий узел отвечает за выполнение следующих функций:

• 
  Выбор точки привязки локального местоположения (Local Mobility Anchor) при хэндовере;
  
• 
  Буферизация пакетов данных в нисходящем направлении, предназначенных для ПТ, находящихся в режиме ожидания, и инициализация процедуры запроса услуги;
  
• 
  Санкционированный перехват пользовательской информации;
  
• 
  Маршрутизация и перенаправление пакетов данных;
  
• 
  Маркировка пакетов транспортного уровня;
  
• 
  Формирование учётных записей пользователей и идентификатора класса качества обслуживания для тарификации;
  
• 
  Тарификация абонентов.
  

Шлюз пакетной сети обеспечивает выполнение следующих функций. Фильтрация пользовательских пакетов;
Санкционированный перехват пользовательской информации; Распределение IP-адресов для ПТ;
Маркировка пакетов транспортного уровня в нисходящем направлении; Тарификация услуг, их селекция.

2. 
   Общие принципы технологии MIMO в сетях LTE
   

Как уже отмечалось выше, в системах LTE предусмотрены различные режимы работы с несколькими передающими и принимающими антеннами. Работа таких систем может быть организована по двум принципам: по принципу пространственного уплотнения и по принципу пространственно- временного кодирования.

Суть первого принципа заключается в том, что различные передающие антенны будут передавать различные части блока информационных символов или различные информационные блоки. Передача данных ведется параллельно с двух или с четырех антенн. На приемной стороне производится прием и разделение сигналов различных антенн, и становится возможным увеличение максимальной скорости передачи данных в 2 или в 4 раза.
В системах, построенных по принципу пространственно-временного кодирования, со всех передающих антенн осуществляется передача одного и того же потока данных с использованием схем предварительного кодирования с целью обеспечения лучшего качества приема. Так, например, при формировании сигнала с двух передающих антенн поток комплексных модуляционных символов, которые будут модулировать одну из поднесущих
OFDMA-сигнала, разбивается на нечетные (𝑥₁) и четные (𝑥₂) символы, т. е. данные модуляционные символы соответствуют одной поднесущей, но разным OFDMA-символам. Тогда, с учетом процедуры предварительного кодирования, первая антенна на двух тактовых интервалах, соответствующих
нечетному и четному модуляционным символам, на одной из поднесущих будет передавать символы 𝑥₁ и 𝑥₂, в то время как вторая антенна будет передавать символы –𝑥₂* и 𝑥₁*. На данных временных интервалах и на данной поднесущей на приемной антенне будет присутствовать сигнал со следующими значениями отсчетов:



2
𝑟₁ = ℎ₁𝑥₁ − ℎ₂𝑥^∗; (1.1)

1
𝑟₂ = ℎ₁𝑥₂ + ℎ₂𝑥^∗. (1.2)
где ℎ₁ и ℎ₂ – комплексные коэффициенты, определяемые значением передаточной характеристики канала в текущий момент времени для каждой из антенн.
После оценки коэффициентов ℎ₁ и ℎ₂ декодирование пары модуляционных символов осуществляется следующим образом:

r₁h^∗ +r₂h^∗

𝑥₁ = ^{1 2} , (1.3)
|h₁|²+|h₂|²


r₂h^∗ –r₁h^∗

𝑥₂ = ^{1 2} , (1.4)

|h₁|²+|h₂|²

В системах MIMO, построенных по принципу TD с четырьмя передающими антеннами, в какой-либо момент времени ведется передача сигнала только с двух антенн. При этом последовательность комплексных модуляционных символов разбивается на «четверки» символов x1, x2, x3 и x4, которые будут передаваться в порядке, показанном на рис. 1.12.

Рисунок 1.12 – Сигналы антенн многоантенной системы, работающей по принципу TD

На рис. 1.13 показана структурная схема MIMO-системы с двумя передающими и двумя принимающими антеннами. Такая система, построенная по принципу пространственного уплотнения, позволяет повысить максимальное значение скорости передачи данных в 2 раза.

Рисунок 1.13 – Система MIMO с двумя передающими и двумя принимающими антеннами

Действительно, пусть в какой-либо момент времени на одной из поднесущих первая антенна передает комплексный модуляционный символ
𝑥₁, а вторая антенна в этот же момент времени на этой же поднесущей - символ 𝑥₂. Тогда, аналогично (1.1, 1.2) на первой и второй приемных антеннах в данный момент времени на данной поднесущей будет присутствовать сигнал с отсчетными значениями:


𝑟₁ = ℎ₁₁𝑥₁ − ℎ₂₁𝑥₂; (1.5)
𝑟₂ = ℎ₁₂𝑥₁ + ℎ₂₂𝑥₂. (1.6)
Если оценочные значения коэффициентов передаточной характеристики известны, то передаваемые параллельно символы 𝑥₁ и 𝑥₂ можно вычислить, решив систему из двух линейных уравнений.
Таким образом, в системах MIMO, работающих по принципам TD и SM, на приемной стороне необходима оценка комплексных коэффициентов передаточной характеристики от каждой из передающих антенн к каждой приемной. Оценка этих коэффициентов производится по пилотным символам, причем, в тот момент времени, когда одна из передающих антенн передает OFDMA-символ, содержащий на одной из поднесущих пилотный символ, сигналы других антенн на данной поднесущей должны отсутствовать. Порядок размещения пилотных символов для систем MIMO по поднесущим определяется спецификацией TS 36.211. Пример такого размещения приведен на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 – Пример размещения пилотных символов по поднесущим для системы с двумя передающими антеннами

2. 
   Планирование и проектирование сети LTE города Петропавловск Северо-Казахстанской области
   

1. 
   Ключевые задачи при моделировании сети
   

Прежде чем начать коммерческое развертывание сети, необходимо обширное и эффективное моделирование сети. Целью моделирования беспроводных сетей является решение следующих ключевых задач [30]:

• 
  Частотно-территориальное планирование сети, обеспечивающее минимизацию внутрисистемных помех, максимальный охват территории с требуемым качеством передачи информации и ЭМС с существующими радиотехническими средствами;
  
• 
  Верификация характеристик действующей сети;
  
• 
  Оптимизация методов преобразования и передачи информации проектируемой сети;
  
• 
  Оптимизация параметров оборудования, предназначенного для работы в данной сети.
  

Для решения перечисленных задач моделирования беспроводных сетей требуются следующие исходные данные [24]:

• 
  Карта местности, необходимая для адекватного описания условий распространения сигналов в рассматриваемом регионе при использовании модели в компьютерных автоматизированных системах;
  
• 
  Сведения о распределении абонентов (трафике) на рассматриваемой территории и их характеристиках (удельной эрланговой нагрузке), заданные аналитически или представленные в обменном формате картографических данных;
  
• 
  Технические характеристики планируемой сети (технология передачи и обработки информации, частотный диапазон, требуемое отношение сигнал/шум и т.д.), указанные в ее стандарте;
  
• 
  Характеристики применяемого оборудования;
  
• 
  Координаты и технические характеристики радиосредств, функционирующих в рассматриваемом регионе, необходимые для расчета показателей ЭМС проектируемой и действующих в данном регионе сетей.
  

2. 
   Современные подходы к планированию сети LTE
   

Планирование радиосетей LTE имеет некоторые отличия от аналогичного процесса для других технологий [25]. Отличия обусловлены типом многостанционного доступа на базе OFDM, наличием двух типов дуплекса – частотного (FDD) и временного (TDD), а при планировании сетей с временным дуплексом приходится искать компромисс между радиопокрытием и емкостью сети.

Формирование максимальной площади покрытия или обеспечение требуемой емкости являются основными подходами к планированию 4G сетей на современном этапе развития. Эти задачи порой противоречат друг другу. Так, в городских условиях при высокой плотности абонентов зоны обслуживания БС по площади гораздо меньше максимально возможной, но оптимизированы по пропускной способности. В сельской местности зачастую ситуация противоположная, плотность абонентов невысокая, и базовые станции устанавливаются на максимальном удалении друг от друга так, чтобы закрыть каждой БС максимальную территорию. Но и в том и другом случае оценивают как радиопокрытие, так и емкость сети для того, чтобы выявить в проекте сети факторы, ограничивающие ее характеристики.
На сегодняшний день выделяют несколько подходов к планированию сети LTE [26]:

1. 
   Планирование сети «с нуля»: сеть разворачивается в новом районе без какой-либо опоры на действующие сети (2G, 3G). Такие сети иногда называют stand alone (отдельно стоящие). В Казахстане в силу его огромной территории такой подход нецелесообразен.
   
2. 
   Сеть LTE строится постепенно, с максимальным использованием уже имеющихся сетей 2G/3G (путем модернизации). В данном случае целесообразно первые базовые станции LTE ставить там, где сеть 3G/2G не справляется с обслуживанием трафика и решать проблему не покрытия, а, прежде всего, наращивания емкости (пропускной способности) сети. Постепенно таких хот-спотов становится больше, пока они не заместят в крупных городах и в ряде других мест покрытие 3G/2G. Для клиента должно выглядеть так, что если он выходит из зоны покрытия LTE, его устройство все еще имеет возможность оставаться в сети за счет сетей 3G/2G. В силу того, что для использования этого подхода требуются наименьшие одномоментные инвестиции, это оптимальный вариант для рынка России.
   
3. 
   Сеть LTE строится с использованием инфраструктуры имеющейся сети 3G за счет замены базовых станций 3G/HSPA (или программного обеспечения в них) на LTE и соответствующим усилением транспортной инфраструктуры (путем модернизации). Это дорогостоящее решение, требующее немалых одномоментных инвестиций.
   
4. 
   Создается единый на всю страну оператор LTE Он может создаваться по 1 или 3 подходу, если есть такая возможность и финансирование. Всем остальным существующим операторам обеспечивается возможность продажи услуг этого «транспортного оператора». Здесь есть ряд минусов:
   

• 
  Не готово законодательство;
  
• 
  Не задействован механизм конкуренции, а значит, себестоимость проекта и цены на его услуги могут оказаться слишком высокими;
  
• 
  Нет стимулов к развитию.
  

5. 
   Совместное строительство сетей LTE несколькими операторами. Данный подход подразумевает выдачу государством лицензий и частот с
   

условием, что каждая такая лицензия или некоторые из них предназначены для совместного использования двумя или большим числом операторов. Подобные примеры есть за рубежом.
Планирование радиосети LTE включает несколько этапов [27]:

• 
  Начальный этап, который включает сбор предварительной информации о планировании и запуск сети, т.е. подготовки ресурсов, покрытия и емкость расчетов, моделирование;
  
• 
  Номинальное и детальное планирование, которое включает в себя выбор и использование различных методов планирования. Этот этап включает в себя настройку модели распространения, определяющие пороги от запланированной ресурса, создание детального плана радио сети на основе пороговых значений, проверки пропускной способности сети с более подробной оценки трафика, настройка планирования, параметры планирования eNB;
  
• 
  Определение ключевых индикаторов производительности и параметров планирования использования eNB параметров системы и счетчиков, определяющих эффективность ключевых показателей и целевого значения на основе поставщика оборудования, проверка ключевых показателей и целевого значения на основе поставщика оборудования, проверка ключевых показателей эффективности и целевого назначения с помощью планирования, а также до и после запуска оптимизации сети.
  

3. 
   Перспективы модернизации сетей связи от 2G/3G к LTE
   

С точки зрения инженерного планирования сетей 4G, помимо создания завершенной ультрасовременной мобильной системы, необходима интеграция в существующую на данной территории концепцию мобильной связи. Данная стратегия подразумевает создание объединенной сети с учетом условий, необходимых для поддержания взаимодействия сети 4G с существующими сетями 2G/3G [28].

Основной целью создания стандарта четвертого поколения LTE можно назвать наращивание возможностей высокоскоростных систем мобильной связи, уменьшение стоимости передачи данных, возможность предоставления широкого спектра всевозможных услуг. К кардинальным отличиям сети LTE 2G/3G относятся:

• 
  Принципиально иные методы формирования группового радиосигнала;
  
• 
  Значительно расширенный логический уровень и отличное программное обеспечение;
  
• 
  Повышенная абонентская емкость, намного большие скорости передачи в восходящем и нисходящем каналах, более разумное использование частотного ресурса.
  

1. 
   Телекоммуникационный разрыв
   

По причине значительного роста спроса на беспроводный широкополосный доступ от операторов требуется обладание достаточным частотным ресурсом и возможностью обеспечить требуемую пропускную способность сети. Поэтому операторам необходимо гарантировать качество своих услуг при переводе действующего радиоресурса сетей 2G/3G под слуги 4G. Слияние технологии 4G с сетями предыдущих поколений позволит плавно перейти от устаревших сетей к современным со всеми вытекающими последствиями, а также сохранит традиционные услуги связи, такие, как например, голосовые звонки и обмен текстовыми сообщениями SMS.
Миграция сетей от 2G/3G к сетям LTE является комплексной задачей и подразумевает работы сразу по нескольким направлениям [29]:

• 
  Модернизация радиоподсистемы и радиопланирование;
  
• 
  Модернизация транспортной сети Mobile Backhaul;
  
• 
  Модернизация ядра пакетной сети Mobile Packet Core.
  

2. 
   Модернизация радиоподсистемы и радиопланирование
   

Основное отличие в аппаратной части радиоподсистемы LTE от сетей 2G/3G в том, что в данных сетях отсутствует контроллер базовых станций. Данную функцию частично выполняют сами базовые станции eNB. Как было указанно выше, базовые станции LTE взаимодействуют напрямую друг с другом с помощью интерфейса X2 через транспортную сеть Mobile Backhaul. В классической архитектуре 2G/3G базовые станции производят обмен данными только через контроллер (топология «звезда»).

Частоты LTE, выделенные для использования в Республике Казахстан, принадлежат в основном диапазонам 800 и 2600 МГц. Радиопланирование в случае LTE существенно не отличается от этого процесса для 3G-сетей и включает в себя фазы:

• 
  Определение приблизительных бюджетов радиоканалов;
  
• 
  Детальное моделирование распространения радиоволн;
  
• 
  Оптимизация и точная настройка для каждой вышки (БС);
  
• 
  Тестовые испытания и корректировка.
  

Сравнивая бюджет радиоканала HSPA (3G), LTE имеет преимущество порядка 2 дБ за счет меньших значений интерференции. Более высокие частоты 2600 МГц предпочтительны для плотной городской застройки, поскольку позволяют организовать больше сот на одной и той же площади, что предпочтительно для больших скоростей передачи при большом количестве абонентов. Частоты 800 МГц можно использовать в загородной местности, так как они обеспечивают большее покрытие при меньшей емкости на единицу площади и за городом обычно не требуются такие скорости, как в городе, так как плотность абонентов значительно меньше.

3. 
   Модернизация транспортной сети Mobile Backhaul
   

После получения оператором связи частот и прохождения всех необходимых процедур согласования, наиболее важным является вопрос транспортной инфраструктуры. Хорошо, если у оператора уже есть транспортная IP/MPLS-сеть достаточной емкости. Сети 2G/3G часто в качестве транспорта используют SDH (TDM) сети (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема мобильной сети с TDM Mobile Backhaul

Емкость данных сетей рассчитана в основном на передачу небольших объемов трафика и голоса. Модернизация таких сетей зачастую связана с дополнительными большими инвестициями и не всегда приносит ожидаемую гибкость и масштабируемость при увеличении емкости.

Основные вопросы, возникающие при проектировании сетей Mobile Backhaul для LTE:

• 
  Предполагаемые точки подключения БС и емкости каналов (определяется на этапе радиопланирования);
  
• 
  Интерфейсы, подключаемые БС к маршрутизатору Cell-Site- Router;
  
• 
  Тип LTE-стандарта, предполагаемого к внедрению на сети;
  
• 
  Каким образом будет осуществляться синхронизация БС;
  
• 
  Сервисная составляющая.
  

По первому вопросу имеет значение расположение будущих или существующих точек сети Mobile Backhaul. От этого зависит, какие каналы, какой емкости и в какие места необходимо протягивать. К сожалению, прокладка каналов не всегда возможна и в качестве альтернативы используют подключение пролетов пакетными радиорелейными линиями (РРЛ) «точка- точка», современные решения которых предлагают радиоканалы до 1 Гбит/с и более.
В настоящий момент актуальными являются LTE FDD и LTE TDD. Основное отличие между ними – способ разделения каналов на прием/передачу. LTE FDD подразумевает две несущие частоты для приемо- передачи, LTE TDD – одну несущую частоту, но разделение по времени. Это имеет принципиальное значение с точки зрения синхронизации между БС. Технология LTE FDD подразумевает достаточность частотной синхронизации, LTE TDD обязательно требует фазовую синхронизацию. Технология LTE Advanced изначально подразумевает использование фазовой синхронизации, поэтому целесообразнее сразу рассматривать фазовую синхронизацию с прицелом на будущее [29].

4. 
   Сетевые решения
   

В целом процесс миграции от сетей 3G к LTE менее затратный, так как многие операторы уже построили серьезные транспортные сети IP/MPLS с соответствующей оптической инфраструктурой при переходе от 2G к 3G. Современные базовые станции 3G модернизируются в БС LTE, при этом необходимо добавить антенны MIMO и обновить ПО.

В интегрированных сетях предлагается использовать уже развернутые в сетях 2G/3G элементы основной сети, такие как SGSN и GGSN.
SGSN (англ. Serving GPRS Support Node) – это узел обслуживания абонентов GPRS, основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки пакетной информации. Он является точкой соединения между системой базовых станций (BSS) сети радиодоступа (RAN) и базовой сетью (CN), взаимодействующей с HLR (англ. Home Location Register) – централизованной базой данных, которая содержит информацию о каждом абоненте данной сети. SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM. SGSN выполняет следующие функции:

• 
  Контроль доставки пакетов данных пользователям;
  
• 
  Взаимодействие с реестром собственных абонентов сети HLR или аутентификация;
  
• 
  Мониторинг пользователей, находящихся в режиме online;
  
• 
  Преобразование кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet;
  
• 
  Регистрация абонентов, вновь «появившихся» в зоне действия
  

сети;

• 
  Шифрование данных в соответствии с алгоритмом шифрования в
  

технологии GPRS;

• 
  Сбор поступающей биллинговой информации, т.е. информации об использовании телекоммуникационных услуг, их тарификацию, выставление счетов абонентам и т.д.
  

GGSN – это узел, входящий в состав GPRS Core Network и обеспечивающий маршрутизацию данных между GPRS Core network (GTP) и

внешними IP-сетями. Помимо маршрутизации, GGSN обеспечивает запросы на аутентификацию к RADIUS (англ. Remote Authentication Dial-In User Service) серверу, а также взаимодействие с серверами домашних имён DNS (англ. Domain Name Server) для определения IP адреса, запрошенного пользователем. Основной функцией GGSN является роуминг (маршрутизация) данных, идущих к абоненту и от него через SGSN.
Функциями GGSN являются:

• 
  Адресация данных;
  
• 
  Динамическая выдача IP-адресов;
  
• 
  Отслеживание информации о внешних сетях и собственных абонентах;
  
• 
  Хранение маршрутизирующей базы данных, базы данных с адресами и фильтрующей базы данных основной сети, после введения LTE сети, что необходимо для поддержки функций, выполняемых MME и SAE- GW.
  

Одним из вариантов сетевого решения рассматриваемой интеграции является сохранение в так называемых независимых сетях 2G/3G доступа существующих элементов основной сети – SGSN и GGSN, а также включение новых устройств, таких как MME, SAE-GW (SGW), которые с учетом передачи межсистемных функций поддерживают LTE доступ (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Взаимодействие оборудования различных поколений Преимущества внедрения независимых (интегрированных) сетей [18]:

• 
  LTE сеть является сетью вторичного развертывания и планирования, что служит фактором, исключающим негативное влияние существующей сети (2G/3G);
  
• 
  Внедрение LTE сети не снижает качества услуги 2G/3G.
  

Недостатком внедрения независимых (интегрированных) сетей является:

• 
  Низкая эффективность передачи между 2G/3G и LTE;
  
• 
  Увеличение оборудование ядра сети;
  
• 
  Увеличение эксплуатационных расходов.
  

Другим вариантом сетевого решения является создание гибридных сетей путем обновления старого SGSN с тем, чтобы он поддерживал функции MME, или, наоборот, подключение ММЕ, поддерживающего функции старого SGSN, и, соответственно подключение нового SAE-GW (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Гибридные сети Преимуществом внедрения гибридных сетей являются:

• 
  Возможность распространения опорной сети на основе существующих сетей, что избавляет от необходимости повторного разворачивания сети;
  
• 
  Возможность совместного использования сетевых ресурсов 2G/3G и LTE сетей;
  
• 
  Высокая эффективность передачи информации между 2G/3G и
  

LTE.

Недостатками являются:

• 
  Новая сеть снижает качество услуги 2G/3G;
  
• 
  Существующим сетям необходимо обновление с тем, чтобы
  

поддерживать функции MME.
Третьим вариантом сетевого решения является создание так называемых независимых 2G-сетей, в результате отделения старых узлов SGSN и GGSN для поддержания 2G-сети и подключения MME и SAE-GW/P- GW для 3G/LTE (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Независимые 2G-сети

Преимуществом внедрения независимых 2G-сетей является постепенное снижение сетевого тарифа 2G.

Недостатками их внедрения являются:

• 
  Необходимость дополнительных подключений для дальнейшего отделения 2G от существующих смешанных 2G/3G сетей;
  
• 
  Увеличение затрат на техническое обслуживание.
  

Итак, первоочередной задачей при создании сетей LTE в городах и густонаселенных районах является наличие условий, необходимых для поддержания взаимодействия сетей LTE с существующими сетями 2G/3G. Таким образом, на основании вышеизложенных критериев наиболее рациональным является первый вариант сетевых решений (независимые сети).
На последующем этапе построения сетей LTE необходимо постепенное обновление узла обслуживания абонентов SGSN, поддерживающего функцию MME. Так как MME обеспечивает доступ сети 2G/3G для управления плоскостью сетевой интеграции, то услуги сети плавно перейдут от 2G/3G к LTE. Таким образом, для выполнения вышеизложенных условий наиболее приемлемой является второй вариант сетевых решений (гибридные сети).
На конечном этапе построения сетей LTE, при увеличении числа пользователей сетями LTE, происходит полное обновление всех сетей при поддержке MME функции MME/SGSN. Постепенная интеграция 3G и LTE сетей устранит 2G-сеть, поэтому для конечного этапа построения сетей LTE можно использовать третий вариант сетевых решений.

4. 
   Выбор структуры будущей абонентской сети, исходные данные
   

Выбирая структуру будущей абонентской сети, необходимо учитывать действующую в регионе структуру сети. Оптимальным вариантом на рынке Республики Казахстан в условиях привлечения наименьших одномоментных инвестиций является подход, когда сеть LTE строится постепенно, с максимальным использованием уже имеющихся сетей 2G/3G. При разработке сети LTE в городе Петропавловске eNB будем ставить там, где сеть 2G/3G не справляется с обслуживанием трафика и решать проблему наращивания емкости сети.
Комитетом по радиочастотам операторам в Северо-Казахстанской области на данный момент выделены диапазоны частот:
 GSM-900 (935,2 – 959,8 /890,2 – 914,8 МГц ): каналы 1 – 124;
 GSM-1800 (1805,2– 1879,8 / 1710,2 – 1784,8 МГц): каналы 512 –

885;

 IMT-2000/UMTS 2,1, 2,5 – 2,7 ГГц.

Для оценки радиопокрытия, производительности и ёмкости

планируемой сети воспользуемся исходными данными:

• 
  Диапазон – 2100 МГц;
  
• 
  Выделенная полоса частот 20 МГц;
  
• 
  Частотное дуплексирование (FDD), при котором системная полоса частот разделена на 2 канала: 10 МГц для DL и 10 МГц для UL;
  
• 
  Схема модуляции и кодирования: 64QAM ½ для DL и 16QAM ½ для UL.
  

5. 
   Оценка радиопокрытия проектируемой сети 4G для г. Петропавловск
   

Анализ радиопокрытия сети LTE начинается с расчёта энергетического бюджета, или максимально допустимых потерь на линии (МДП). МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника сопряженной стороны, при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается оптимальная демодуляция сигнала в приемнике [25]. Принцип расчета энергетического бюджета представлен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Принцип расчета энергетического бюджета

Рассмотрим БС, РЧ-блок каждого сектора, который оснащен двумя приемопередатчиками, выходная мощность передатчиков 20 Вт (43 дБм). РЧ- блок устанавливается в непосредственной близости от антенны. Базовая станция работает на DL в режиме MIMO 2x2 с использованием кросс- поляризационной антенны. Энергетический бюджет рассчитаем для UE на краю соты, т.е. принимающей сигналы от БС с низким отношением сигнал/шум (ОСШ), в связи с этим БС передает сигналы на UE в режиме разнесенной передачи. За счет сложения мощностей сигналов двух передатчиков в пространстве можно получить энергетический выигрыш (3 дБ). В качестве UE рассматриваем USB-модем, имеющий одну передающую и две приемные антенны (режим MIMO 1Ч2 на UL), класс 3 – ЭИИМ 23 дБм.
Расчет максимально допустимых потерь производится по формуле [25]:
^𝐿MÆPL ^{= 𝑃}EIRP ^{− 𝑆}RX ^{+ 𝐺}RXÆ ^{− 𝐿}RXF ^{− 𝑀}BUILD ^{− 𝑀}INT ^{− 𝑀}SKÆDE ^{+ 𝐺}KO^{, (2.1)}
где 𝑃_EIRP - ЭИИМ передатчика, дБм;
𝑆_RX - чувствительность приемника, дБм;
𝐺_RXÆ - коэффициент усиления антенны приемника, дБи;
𝐿_RXF - потери в фидерном тракте приемника, дБ;
𝑀_BUILD - запас на проникновение сигнала в помещение, дБ;
𝑀_INT - запас на внутрисистемные помехи, дБ;
𝑀_SKÆDE - запас на затенение, дБ;
𝐺_KO - выигрыш от хэндовера, дБ.
ЭИИМ для передатчика определяется формулой [25]:


^𝑃EIRP ^{= 𝑃}TX ^{+ 𝐺}TX.DIV ^{+ 𝐺}TXÆ ^{− 𝐿}TXF ^(2.2)
где 𝑃_TX - выходная мощность передатчика, дБм;
𝐺_TX.DIV - выигрыш от сложения мощности передатчиков, дБ;
𝐺_TXÆ - коэффициент усиления антенны передатчика, дБи;
𝐿_TXF - потери в фидерном тракте передатчика, дБ.
Чувствительность приемника 𝑆_RX определяется по формуле [25]:
𝑆_RX = 𝑃_N + 𝑀_SNR + 𝐿_N. (2.3)

где 𝑃_N - мощность теплового шума приемника, дБм;

𝑀_SNR - требуемое отношение сигнал/шум приемника, дБ;
𝐿_N - коэффициент шума приемника, дБ.
𝑃_N = 10 lg⁽100𝑘𝑇𝐵⁾, (2.4)
где 𝑘 - постоянная Больцмана, (𝑘 = 1,38 ∙ 10^–23);
𝑇 - абсолютная температура, К, (𝑇 = 290 К);
𝐵 - шумовая полоса приёмника.

𝐵 = 𝑁_RB ∙ ∆𝑓_k, (2.5)

где 𝑁_RB - число выделенных ресурсных блоков;
∆𝑓_k - полоса частот одного радиоканала (радиоканал в сетях LTE определяется как ресурсный блок РБ, который имеет ширину 180 кГц);
Величина запаса на внутрисистемные помехи MINT характеризует возрастание мощности шума на входе приемника. Для расчета принимают что запас на внутрисистемные помехи равен [25]:


𝑀_INT = −10 lg⁽1 − 𝜂⁾, (2.6)
где 𝜂 - относительная загрузка соты в восходящей или нисходящей линии.
Запас на внутрисистемные помехи – это функция от загрузки соты, чем больше разрешенная нагрузка в соте, тем большую величину запаса необходимо учесть в расчете. При росте нагрузки до 100% запас на помехи стремится к бесконечности, и зона обслуживания соты уменьшается до нуля.
Из двух значений МДП, полученных для UL и DL, выбирается минимальное, по которому производят дальнейший расчет радиуса действия базовой станции. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх (UL).
Характеристики планируемой сети сведены в таблицу 2.1. Таблица 2.1 – Характеристики планируемой сети LTE

Обозначение	Параметр	FDD 10+10 МГц
1	2	3	4
Линия		DL	UL