ВКР_Разработка_Радиотрактов_BTS_Петренко_Ю.А

зии широкополосного интернета получает частотный диапазон 3,5 ГГц, кото-

рый позволит без приобретения и настройки дорогостоящего оборудования операторам сотовой сети использовать уже действующую и прекрасно рабо-

тающую частоту для перехода на нее сети LTE.

Если же рассматривать возможность использования частот для стандарта мобильной связи 4G, то утверждать, что диапазон частот от 1,4 до 20 ГГц пригоден для работы абонентских устройств в сети стандарта 4G LTE.

Подробнее об этом рассказывается во втором разделе настоящего проекта.

1.4.Краткое описание структуры сети стандарта LTE

Рассмотрим структуру [3, стр. 323 - 330] сети LTE:

Рис. 1.1. Структура сети стандарта LTE

Из схемы сети LTE, представленной на рис. 1.1., уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные измене-

ния претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации.

Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользо-

вателя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы пе-

редачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, дан-

21

ные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакет-

ные данные.

Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE: Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) – обслуживающий шлюз сети LTE, предназначенный для обработки и маршрутизации паке-

товданныхпринимаемых и отправляемых базовыми станциями. По сути, за-

меняет MSC, MGW и SGSN сети UMTS. SGW имеет прямое соединение с се-

тями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает переда-

чу соединения в обе стороныиз-за ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.

Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) –

пакетный шлюз обмена данными. Вся информация, передаваемая в сеть дру-

гого оператора и из неё же, маршрутизируется именно с помощью PGW. Mobility Management Entity (MME) – узелуправлениямобильностью, предна-

значенный для управления мобильностью абонентов сети LTE.

Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных. HSS представля-

ет собой объединение VLR, HLR, AUC, выполненных в одном устройстве.

Policy and Charging Rules Function (PCRF) – узел учета использованного тра-

фика и взимания за него платы конкретным абонентам Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети

LTE. В системе базовых станций остались лишь базовые станции класса eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.

Более подробнее о структуре сети LTE рассказывается во втором разделе настоящего проекта.

.

22

1.5.Основные характеристики LTE

Согласно требованиям к системе LTE, при радиусе соты в 5 км, все требова-

ния к спектральной эффективности, пропускной способности и работы с мо-

бильными абонентами должны поддерживаться. При радиусе соты в 30 км допускается незначительное ухудшение в показателях производительности

[9].

Для обеспечения двусторонней передачи данных между БС и МС технологи-

ей LTE поддерживается как частотный (FDD), так и временной дуплекс

(TDD). Для FDD существует 15 парных частотных диапазонов (частоты от

800 МГц (для совместимости споколениями 2Gи 3G) до 3.5 ГГц), а для вре-

менного - 8. При этом, ширина радиоканала может быть различной. Допу-

стимы следующие значения: 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц. В качестве систем множественного доступа в LTE используются технология множественного доступа с применением мультиплексирования с ортогональным ЧРК или по-

просту OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) в нисходя-

щем канале и SC-FDMA в восходящем канале.

При использовании OFDMA весь спектр частот делится на поднесущие, ор-

тогональные друг другу. В зависимости от ширины канала общее количество поднесущих варьируется между следующими частотами 72, 180, 300, 600,

900 или 1200. Каждая из поднесущих имеет свой вид модуляции. Могут ис-

пользоваться следующие виды модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Принцип множественного доступаработает по следующей схеме: одна часть поднесу-

щих выделяется одному пользователю к кадре, другая часть - второму поль-

зователю и т.д. Для более подробной информации см. описание физического уровня (раздел 2 данной ВКР).

Основное достоинство OFDMA заключается в том, что она позволяет бо-

роться при приеме сигнала с помехами и ошибками при многолучевом рас-

пространении радиоволн. Однако, этой технологии так же присущи и неко-

торые недостатки. Например, данная технология чувствительна к частотной

синхронизации, сгенерированный OFDMA сигнал обладает высоким PAR 23

(Peakto Average Ratio, пиковый фактор), который приводит к тому, что ис-

пользуемый усилитель мощности передатчикадолжен быть исключительно линейным и работать только на линейных участках амплитудной характери-

стики сигнала. Поэтому его эффективность будет низкой, что достаточно проблематично для абонентских устройств. Из-за этого в восходящем канале

LTE используется другая технология множественного доступа, а именно SCFDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Отличие SC-FDMA

от OFDMA заключается в том, что в SC-FDMA используется дополнительная обработка сигнала для снижения PAR. В SC-FDMA в качестве такой допол-

нительной обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье.

Так же, как и в нисходящем канале, в восходящем канале могут использо-

ваться следующие виды модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.

Стандарт LTE также поддерживает технологию передачи MIMO (Multiple

Input Multiple Output), которая позволяет существенно увеличить пиковую скорость передачи данных и значение спектральной эффективности. Суть технологии MIMO заключается в том, что при передаче и приеме данных ис-

пользуется несколько антенн с каждой стороны с пространственным разнесе-

нием. Разные антенны могут передавать одни и те же данные, при этом по-

вышается надежность, но не скорость, передачи данных. Также разные ан-

тенны могут передавать различные потоки данных, при этом увеличивается скорость передачи данных. Максимально в нисходящем канале технологией

LTE поддерживается схема 4х4. В такой схеме на передающей и приемной стороне используется по четыре антенны. В этом случае скорость передачи данных может быть увеличена до 4-х раз (в действительности чуть меньше из-за увеличения количества служебных сигналов).

При использовании технологии MIMO и ширине канала 20 МГц максималь-

ная скорость передачи данных может достигать 300 Мбит/с в нисходящем канале и 170 Мбит/с в восходящем.

24

1.6.Частотные диапазоны 4GLTE в РФ

ВРоссии по состоянию на октябрь 2013 года в коммерческую эксплуатацию запущены сети LTE в 37 регионах [2, 8]. В большинстве регионов сети запу-

щены в парном спектре (LTE FDD) в диапазоне 2600 МГц (band 7), за исклю-

чением сетей LTE TDD - МТС в Москве (2600 МГц, band 38) и «Вайнах Те-

леком» в Чеченской Республике (2,3 ГГц, band 40).

Кроме того, компания «Основа Телеком» разворачивает сети LTE TDD в

диапазоне 2,3 ГГц (band 40), в котором компания обладает большим частот-

ным ресурсом - от 70 до 100 МГц, в зависимости от региона. К концу января

2014 года, согласно лицензионным требованиям, оператор должен построить и запустить сети в 40 регионах. На 3 октября 2013 года «Основа Телеком» подготовила к тестовому запуску сети в 12 регионах.

По итогам конкурса состоявшемся в 2012 года, «Ростелеком», МТС, «Мега-

Фон» и «ВымпелКом» получили LTE-лицензии в нижнем (720-790 МГц, 791-

862 МГц) и верхнем (2500-2690 МГц) диапазонах. Каждый из победителей получил по 2 полосы в верхнем диапазоне шириной в 10 МГц и 7,5 МГц – в

нижнем. Верхний спектр частот является относительно свободным и пригод-

ным для развития LTE-сетей, а нижний – преимущественно занят силовыми структурами и системами радионавигации и радиолокации и требует прове-

дения конверсии.

В России для сетей 4-го поколения на сегодня используются четыре частот-

ных диапазона

25

Таблица 1.1 – Диапазоны частот LTEв РФ

Диапазон	1800 МГц	2600 МГц	800 МГц	2600 МГц
частот
Номер диа-	3	7	20	38
пазона по
классифика-
ции 3GPP
Разделение	FDD	FDD	FDD	TDD
каналов
Распростра-	Среднее	Низкое	Высокое	низкое
нение сигна-
ла
Распростра-	Высокая	Высокая	Средняя,	Низкая, рас-
ненность на			растет	тет
смартфонах

По оценке Ассоциации региональных операторов связи (APOC), по состоя-

нию на май 2013 года «МегаФон» и «Скартел» (владелец ТМ Yota) в сово-

купности контролировали около 36% спектра, доступного для построения се-

тей мобильного ШПД (3G, 4G) в России. Примерно одинаковым частотным ресурсом обладали «Ростелеком» (с учетом дочерней компании «СкайЛинк»)

и МТС (24% и 23%, соответственно). На долю «ВымпелКома» пришлось оставшиеся 17% спектра. При этом, по оценке APOC, в России по тем или иным причинам не используется около до 135 МГц спектра, пригодного для

LTE. Регуляторные изменения в области назначения и использования частот-

26

ного ресурса будет определять вектор развития широкополосных мобильных коммуникаций на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Основные направления регулирования касаются нескольких ключевых вопросов:

переход от распределения частот по частным и общим решениям к конкурсам и частотным аукционам;

принятие принципа технологической нейтральности;

возможность совместного использования частот несколькими операторами;

правила оплаты радиочастотного спектра.

1.7.Оборудование в сетях 4G LTE

Главными поставщиками оборудования в 4G – сетях являются Cisco, Ericsson, ZTE, Huawei и Microsoft Nokia (бывший Alcatel-Lucent) [2, 8].

Ericsson и Nokia сохранили свои лидерские позиции на рынке LTE-сетей и даже увеличили свои доли до 44% и 30% соответственно [2, 8]. Рост на рын-

ке сотовой связи инфраструктуры продолжился в третьем квартале 2011 года,

говорится в докладе. Мобильные LTE увеличили свои доходы на 20% по сравнению с аналогичным кварталом прошлого года. Общий объем рынка

LTE в третьем квартале составил $647 млн. Авторы доклада прогнозируют продолжение роста рынка в 2012 году. Так на конференции LTE Азия 2011 Huawei продемонстрировала комплексное решение HetNet для создания LTE

сетей. HetNet реализовано на передовой микро BTS LTE Huawei, которая об-

легчает развертывание, поскольку не требует приобретения отдельной

«большой»BTS. Кроме того, микро BTS LTE Huawei обеспечивает макси-

мальную эффективность LTE за счет своих выдающихся характеристик, та-

ких как высокая скорость передачи данных (DL 150 Мбит/с, UL 50 Мбит/с в полосе 20 МГц, 2*2MIMO) и интегрированная SON (самоконфигурирование,

самооптимизация, самообслуживание). На конференции также были пред-

ставлены компоненты лидирующего в отрасли комплексного решения

27

Huawei LTE SingleRAN, включая решения SingleRAN LTE FDD/TDD,

SingleRANWiMAX/LTE, SingleEPC, SingleOSS и др.

2.Описание структуры сети LTE

2.1.Архитектура сети беспроводного доступаE-UTRAN

Сеть LTE состоит из двух важнейших компонентов: сети беспроводного до-

ступаE-UTRAN (EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccess) и базовой сети EPC (EvolvedPacketCore), также называемой SAE (SystemArchitectureEvolution). [1, стр. 73, 3, стр. 323, стр. 857]

Основные требованиями проекта 3GPP при разработке архитектуры сети

LTE таковы: максимальное упрощение структуры сети и недопущение по-

вторяющихся функций протоколов сетей прошлых поколений. В соответ-

ствии с этим сеть беспроводного доступаE-UTRAN, рассмотренная в ряде требований и рекомендаций МСЭ и 3GPP, состоит из базовых станций eNB (evolved NodeB).[1, стр. 74-78]

Базовые станции eNB являются элементами сети E-UTRAN и соединены между собой по технологии «point-to-point» или «каждый с каждым» при по-

мощи интерфейса Х2. Интерфейс Х2 поддерживает хэндовер абонентского терминала, находящегося в состоянии ECM-CONNECTED. Каждая базовая станция имеет интерфейс S1 с базовой сетью EPC, построенной по принципу коммутации пакетов.

Базовые станции eNB сети E-UTRAN [1, стр. 74-78] выполняют все функции управления радиоресурсами (Radio Resource Management - RRM): управление радиоканалами (Radio Bearer Control), управление доступом (Radio Admission Control), управление мобильностью (Connection Mobility Control), динамиче-

ское распределение ресурсов (Dynamic Resource Allocation) и другие. Таким образом, в сети связи E-UTRAN базовые станции eNB реализуют совокуп-

ность функций базовых станций NodeB и большинство функций контроллера

RNC сети радиодоступа UTRAN системы UMTS. Распределение функций между сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью EPC представлено на

рисунке 1.2 [1, стр. 73 – 79].

28

Одной из важнейших задач управления в сети LTE является максимально эффективное использование радиоресурсов. Данная задача решается не-

сколькими функциями системы управления радиоресурсами RRM (управле-

ние радиоресурсами сети E-UTRAN, управление службой передачи данных в радиоканале, управление мобильностью, управление доступом, динамиче-

ское распределение ресурсов) и с помощью системы управления радиоресур-

сами (Radio Resource Control – RRC).

eNB

Inter Cell RRM

RB Control

Connection Mobility Con-

MME

Radio Admission Control

NAS Security

eNB Measurement

Idle State Mobility

Configguration Provision

Handling

Dynamic Resource

SAE Bearer Con-

Allocation (Scheduler)

trol

RRC

PDCP

RLC

SAE Gateway

S1MAC - уровень

Интернет

Mobility Anchoring

Физический уровень

E-UTRAN

EPC

Рис. 2.1 – Распределение функций между сетью радиодоступа E-UTRAN и

базовой сетью ЕРС

«Внутрисетевое» управление радиоресурсами сети E-UTRAN (Inter Cell RRM) обеспечивает управление ресурсами группы сот для повышения эф-

фективности использования частотного спектра и снижения помех от одно-

временнойработы в сети абонентских терминалов и базовых станций, а также поддержку мобильности.

29

Управление службой внутриканальной передачи данных (Radio Bearer (RB) Control) реализовано в базовых станциях eNB сети E-UTRAN [1, стр. 74-78] и

обеспечивает включение, обслуживание и отключение каналов передачи данных с заданными оператором-поставщиком связи параметрами системы контроля качества услуг (Quality of Service – QoS) в сети E-UTRAN. Основ-

ными задачами являются управление и проверка всех активных сеансов пе-

редачи данных в соответствии с параметрами QoS, заданными поставщиком услуг связи, выделение ресурсов для новых сеансов.

Управление мобильностью (Connection Mobility Control) [1, стр. 74-78] поз-

воляет выбирать обслуживающую базовую станцию eNB для абонентского устройства на основе параметров территории покрытия, определенных мо-

бильным аппаратом, переключать обслуживание абонентского мобильного устройства от одной соты на другую (хэндовер). Выбор базовой станции осуществляется непосредственно абонентским устройством на основе пара-

метров покрытия в состояниях RRC_CONNECTED и RRC_IDLE и сравнения полученных результатов с установленными пороговыми значениями. В со-

стоянии RRC-IDLEпроизводится переключение на другую соту с более под-

ходящими параметрами, в состоянии RRC_CONNECTED – хэндовер. Хэн-

довер реализован на основе анализа измерений как мобильного устройства,

так и базовой станции eNB, а также текущей нагрузкисети и политики опера-

тора-поставщика по контролю за трафиком сети. Поддержку мобильности абонентского устройства в сети EPC обеспечивает элемент (модуль) MME.

Параметры функций управления ресурсами сети E-UTRAN [1, стр. 74-78],

управления службой передачи данных в канале и управления мобильностью могут быть подстроеныпод требования оператора-поставщика.

Управление доступом (Radio Admission Control) разрешает или запрещает доступ абонентскому носимому устройству к сети E-UTRAN на основе мно-

гокритериального анализа сетевой нагрузки и требований устройства к пара-

метрам системы QoS, заданными оператором [9].

30