td-lte tinklo kompiuterinis modeliavimas ir ...20217045/20217045.pdftarpusavyje komunikuoja per x2...
TRANSCRIPT
-
VILNIAUS UNIVERSITETAS
FIZIKOS FAKULTETAS
RADIOFIZIKOS KATEDRA
Raimondas Girštautas
TD-LTE TINKLO KOMPIUTERINIS MODELIAVIMAS IR EKSPERIMENTINIS
ĮVERTINIMAS
Magistrantūros studijų baigiamasis darbas
(studijų programa – TELEKOMUNIKACIJŲ FIZIKA IR ELEKTRONIKA)
Studentas Raimondas Girštautas
Darbo vadovas Juzef Statkevič
Konsultantas Dr. Rimvydas Aleksiejūnas
Recenzentas Doc. Vidas Kalesinskas
Katedros vedėjas Prof. Jūras Banys
Vilnius 2016
-
2
Turinys
Įvadas ................................................................................................................................................... 3
1. Literatūros apžvalga ..................................................................................................................... 4
1.1. LTE ryšio technologija ......................................................................................................... 4
1.2. OFDMA technologija ........................................................................................................... 5
1.3. Moduliacijos tipai ................................................................................................................. 6
1.4. Dažninis ir laikinis tankinimas ............................................................................................. 7
1.5. Antenos ................................................................................................................................. 8
1.6. Radijo ryšio sklidimo nuostoliai ......................................................................................... 10
1.7. Signalo galia ir kokybė imtuve bei jo triukšmo ir interferencijos santykis ........................ 13
1.8. Korinis ryšys ....................................................................................................................... 14
2. TD-LTE tinklo planavimas ........................................................................................................ 16
2.1. TD-LTE tinklo planavimo parametrų aptarimas................................................................. 16
2.2. TD-LTE tinklo planavimo rezultatai .................................................................................. 16
3. LTE tinklo modeliavimas ........................................................................................................... 23
3.1. LTE tinklo modeliavimo įranga .......................................................................................... 23
3.2. TD-LTE ir FD-LTE technologijų pagrindiniai parametrai ir metodika.............................. 24
3.3. Modeliavimo rezultatai ir jų aptarimas ............................................................................... 25
4. Eksperimentinis TD-LTE tinklo įvertinimas.............................................................................. 31
4.1. Metodika ir eksperimentinė įranga ..................................................................................... 31
4.2. Eksperimentiniai TD-LTE tinklo rezultatai ........................................................................ 33
Išvados ............................................................................................................................................... 35
Literatūra ........................................................................................................................................... 36
Summary ............................................................................................................................................ 37
-
3
Įvadas
Pirmą kartą judrusis ryšys buvo pradėtas naudoti XX amžiaus 3-ajame dešimtmetyje, kai
vežiojamos radijo stotys buvo pritaikytos karinėse, policijos bei priešgaisrinėse struktūrose. Tų laikų
radijo stotys, be abejo, buvo sunkios, didelės ir galėjo dirbti tik vienpusėje vienalaikėje veikoje.
Ilgainiui atsirado naujesnės sistemos sugebančios veikti dvipusėje vienalaikėje veikoje. Šiuolaikinio
korinio judriojo ryšio era prasidėjo 1983 m., kai Europoje bei Amerikoje buvo pradėtos naudoti
pirmosios kartos (angl. – Generation 1) analoginės ryšio sistemos, antrosios kartos (GSM)
skaitmeninio ryšio sistemos buvo labai sėkmingos dėl savo technologijos pigumo, patogumo ir
patikimumo, o trečiosios kartos sistemos (3G) pasižymėjo tuo, jog laisvai pasirenkama perduodamų-
priimamų duomenų sparta nepriklausomai nuo pasirinktos vietos ir laiko [1]. Laikui bėgant, vystantis
technologijoms judrusis ryšys tapo labai populiarus ir net būtinybė kasdieninėje veikloje, todėl
atsirado poreikis didinti ryšio kokybę, mobilumą ir duomenų priėmimo - perdavimo spartą. LTE
(angl. – Long-Term Evolution) era prasidėjo 2009 m., kai pirmą kartą ketvirtosios kartos (4G)
mobiliojo ryšio sistema buvo paleista Osle ir Stokholme [2]. Ši technologija pasižymi [3]:
Didele atsisiuntimo (iki 300 Mbps) ir išsiuntimo sparta (iki 75 Mbps);
Mažų paketų perdavimo vėlavimas mažesnis nei 5 ms;
Aukštu mobilumu (iki 120 km/h);
Dažnių juostos pločiu, kuris siekia nuo 1,4 MHz iki 20 MHz;
Narvelių dydžiu nuo dešimčių metrų (femto narveliams ir piko narveliams) iki 100 km
(makro narveliams).
Kadangi šiuo metu labai populiarios ir greitai vystosi didelio duomenų srauto belaidės perdavimo
sistemos, tokios kaip LTE, todėl viena šio baigiamojo darbo dalis buvo pasirinkta atlikti akcinėje
bendrovėje „Lietuvos radijo ir televizijos centras“ (LRTC), kuri šiuo metu, kaip tik plečiasi šioje
srityje, o kita dalis, atlikta VU Telekomunikacijų mokslo centre, kuriame yra suteiktos visos sąlygos
atlikti teorinius šios technologijos modeliavimo darbus. Tokia LTE bevielės plačiajuostės prieigos
sistema gali tiekti spartų interneto ryšį, interaktyviąją didelės skiriamosios gebos televiziją, telefoniją,
bei kitas paslaugas.
Šio darbo tikslas yra atlikti bevielio TD-LTE tinklo planavimą „ICS Telecom“ programiniu
paketu: teoriškai apskaičiuojant signalo pasiskirstymo ir greitaveikos žemėlapius, įvertinant
geografinė vietą bazinių stočių įrengimui ir įvairių trukdžių įtaka ryšiui. Taip pat sumodeliuoti „GNU
Octave“ programiniu paketu kelis šios tinklo scenarijus palyginant su FD-LTE technologija, bei
atlikti eksperimentinį TD-LTE tinklo įvertinimą, lyginant su teoriniais modeliavimo rezultatais.
-
4
1. Literatūros apžvalga
1.1. LTE ryšio technologija
LTE technologija evoliucionavo iš trečiosios kartos HSDPA (angl. – High Speed Download
Packet Access) judriojo ryšio technologijos dėl žymiai padidėjusio duomenų perdavimo greičio bei
išaugusio mobilumo. Šios technologijos radijo ryšio perdavimas remiasi ortogonaliosios dažninio
tankinimo moduliacijos (angl. – OFDM) patobulinta technologija - tai daugybinės prieigos
ortogonaliosios dažninio tankinimo moduliacijos (angl. – OFDMA) technologija, kuri palaiko
skirtingus perdavimo dažnių juostų pločius (1,4 MHz iki 20 MHz), esant tiek dažninio tankinimo,
tiek laikinio tankinimo formose [4]. Taip pat, dėl šios technologijos galimybių, galima pasiekti aukštą
perdavimo kokybę net iki 100 km atstumu nuo bazinės stoties. Taip pat svarbu paminėti, kad
duomenų išsiuntimui naudojamas dažninis prieigos tankinimas (angl. – SC-FDMA), dėl kurio
pagerėja išsiuntimo greitis iki 75 Mbps ir vartotojo įrangos baterijos gyvavimo trukmė bei, žinoma,
įrangos naudojimo laikas. Tuo tarpu duomenų atsisiuntimo greitis svyruoja nuo 100 iki 326,4 Mbps,
o tai priklauso nuo moduliacijos tipo bei antenos konfigūracijos [2].
LTE architektūrą galima laikyti dviejų mazgų architektūra, kadangi užtenka įtraukti du mazgus
tarp vartotojo įrangos ir centrinio tinklo, tai bazinė stotis (angl. – eNodeB), vartotojo tinklo sąsajos
(angl. – S-GW), kurių funkcija užbaigti ryšį su
bazine stotimi, bei kontrolės mobilumo
valdymo serveris (angl. – MME) skirtas
tikrinti: mobilumą tarp 3GPP tinklų;
autentifikavimą bei vartotojo tinklo sąsajos
parinkimą [5]. Tokia architektūra neturi
centrinio kontrolerio, o bazinės stotys
tarpusavyje komunikuoja per X2 sąsajas,
kurios tarpusavyje yra susietos S1 sąsaja su
centriniu tinklu. Tokia architektūra pateikta
1.1 paveiksle. Su tokia LTE architektūra
gauname tolygų perdavimą ir integraciją iš arba į egzistuojančius kitus 3GPP ir 3GPP2 tinklus, taip
operatorius užtikrina patikimą ryšio kokybę [6]. Tokia architektūros sistema vartotojus sujungia
duomenų paketų tinklu per IP adresus, taip vartotojams suteikiama prieiga prie internetinio tinklo
arba teikiamos paslaugas, tokios kaip internetinė telefoniją (angl. – Voice over IP).
1.1 pav. LTE tinklo architektūra [2].
-
5
1.2. OFDMA technologija
LTE technologijoje naudojama pažangesnė OFDM moduliacijos versija - daugybinės prieigos
ortogonalioji dažninio tankinimo moduliacija (angl. – OFDMA). Taip pat palaikoma ir daugybinių
siuntimo – priėmimo antenų sistema (angl. – MIMO), kai siųstuvas ir imtuvas gali turėti daugiau nei
po vieną anteninį įrenginį, dėl kurio leidžiamas platus dažninių kanalų pločio ir kitų parametrų
pasirinkimas. Tai suteikia didelę laisvę operatoriams, diegiantiems šio ryšio sistemas [7].
OFDMA technologijoje yra galimybė atskiriems vartotojams priskirti tam tikras ponešlių grupes.
Toks daugybinės prieigos metodas leidžia LTE ryšiui skirtą dažnių juostą išnaudoti labai efektyviai,
nes tokiai sistemai tenka aptarnauti didelį skaičių vartotojų, esančių vienoje geografinėje vietovėje.
Ši technologija leidžia vienu metu naudoti dažninį prieigos tankinimą (angl. – FDMA), kai
vartotojams skiriami skirtingi dažnių ruožai ir laikinį prieigos tankinimą (angl. – TDMA), kai
vartotojams, besinaudojantiems tuo pačiu dažnių ruožu, skiriami skirtingi laiko tarpsniai. Tarpsnis –
tai mažiausias laiko ir dažnių resursas, kuris gali būti skirtas atskiram vartotojui. Laikinis ir dažninis
prieigos tankinimai leidžia efektyviai paskirstyti turimus resursus, tačiau sudėtingėja bazinės stoties
darbas, kadangi ji turi įvertinti informaciją apie visus aptarnaujamus terminalus bei kiekvieną iš jų
informuoti apie jiems skirtus blyksnius. Blyksniu vadinamas radijo impulsų rinkinys, kuriais
perduodami vienam vartotojui skirti duomenys [1].
OFDMA signalo ponešliai moduliuojami QPSK, 16QAM, arba 64QAM metodais, kuriuos šiek
tiek plačiau aptarsiu kitame poskyryje. Moduliacijos metodas parenkamas atsižvelgiant į ryšio kanalo
kokybės indikatorius, kuriuos terminalas siunčia bazinei stočiai. Skirtingi terminalai priima skirtingų
stiprumų signalus, todėl numatyta, jog bazinė stotis kiekviename ryšio žemyn blyksnyje gali parinkti
skirtingas ponešlių moduliacijas. Taip pat kiekvienam blyksniui atskirai nustatomos tolydinių intarpų
trukmės [7].
LTE signalas yra skirstomas į ciklus. Ciklas yra pilnas duomenų, persiunčiamų abiem kryptimis tarp
bazinės stoties ir terminalo rinkinys, kuris sudarytas iš antraštės, kontrolinės informacijos ir duomenų
bitų. Ciklą sudaro ryšio aukštyn ir žemyn pocikliai, kurių trukmių santykis gali būti 3:1 arba 1:1. Jis
pasirenkamas atsižvelgus į ryšio kanalo naudojimo pobūdį. Signale taip pat išskiriami tarpsniai,
kiekvieno tarpsnio trukmė gali būti kelios OFDMA simbolio trukmės, o dažnių srityje jis dažniausiai
apima tam tikrą ponešlių rinkinį, kuris vadinamas pokanaliu. Tarpsnius vartotojams skirsto bazinės
stoties įrenginys, atsižvelgdamas į kiekvieno vartotojo poreikius ir ryšio kanalo galimybes.
Kiekvienas ryšio žemyn pociklis susideda iš daugybės tarpsnių, kurie formuoja blyksnius. Iš 1.2
paveikslo matyti, kad kiekvieno ryšio žemyn pociklio pradžioje yra antraštė, kurios fiksuotos trukmės
bitų seka naudojama bazinės stoties identifikacijai, laiko sinchronizacijai, ir kanalo iki terminalo
įvertinimui, taip pat ryšio žemyn antraštę lydi ciklo kontrolinės žinutės (angl. - Mapping), kurios
-
6
pateikia informaciją apie ryšio aukštyn ir žemyn pociklius: blyksnių padėtis, jų moduliacijos bei
kodavimo schemų parametrus. Antraštės signalų energija yra 2√2 kartų didesnė nei likusi informacija
perduodančiu ponešliu [1].
OFDMA ciklą sudarantys ryšio aukštyn ir žemyn pocikliai yra atskiriami trumpais saugos
intarpais, kurių metu bazinės stoties ir terminalo siųstuvai nieko nesiunčia. Intervalas tarp ryšio
žemyn ir aukštyn pociklių yra vadinamas siuntimo – priėmimo saugos intervalu, o po ryšio aukštyn
pociklio turime priėmimo – siuntimo saugos intervalą. Tokia priemonė apsaugo nuo duomenų
persiklojimo ir sumažina bazinės stoties ir terminalo sinchronizacijos reikalavimus [7]. Saugos
intarpas sunaikina tarpsimbolinius trukdžius, tačiau nuosavieji simbolio trukdžiai išlieka, susiję su
pereinamaisiais vyksmais simbolio pradžioje ir pabaigoje. Todėl saugos intarpo vietoje į tarpsnį,
esantį prieš simbolio pradžią, yra nukopijuojama žemadažnio simbolio dalis, vadinamasis tolydumo
intarpas, atitinkanti simbolio pabaigą. Iš čia gauname, kad išnaudojama ponešlių simbolių savybė
talpinti savyje sveiką kiekį sinusoidės periodų: tai yra nešlio fazė simbolio pradžioje yra ta pati, kaip
ir simbolio pabaigoje [1].
1.2 pav. LTE naudojamo radijo kanalo užimtumo kitimas laike [1].
1.3. Moduliacijos tipai
LTE technologijoje yra naudojama daugialygė kvadratūrinė-amplitudė moduliacija (angl. -
MQAM), kurios moduliacijos lygis keičiasi priklausomai nuo signalo/triukšmo ( NIS / ) santykio
faktoriaus vertės. Šios manipuliacijos perdavimo juostos simboliai perduodami ne tik su skirtingomis
fazėmis, bet ir su skirtingomis amplitudėmis. Iš pateikto 1.3 paveikslo, matyti, kad kuo šis santykis
didesnis, tuo yra mažesnė tikimybė atsirasti klaidoms [1]. Taigi, iš čia galime pastebėti, kad kuo toliau
nuo bazinės stoties yra vartotojo terminalas, tuo mažesnė bus greitaveika.
-
7
1.3 pav. Klaidų tikimybės priklausomybė nuo signalo/triukšmo
santykio faktoriaus vertės [8].
Taip pat svarbu paminėti, kad kuo didesnis moduliacijos lygis, tuo bitų skaičius viename
simbolyje yra didesnis: 16QAM ir 64QAM moduliacijų vienas simbolis turi atitinkamai 3 ir 4 bitus
informacijos, tuo tarpu QPSK (4QAM) vienas simbolis turi 2 bitus informacijos, bet moduliacijos
fazė kinta kas 900, o amplitudė lieka pastovi [8]. Taigi iš čia gaunama išvada, kad didėjant
moduliacijos lygiui mažėja atstumas tarp simbolių fazės ir amplitudės, kas ir lemia klaidų atsiradimo
tikimybės didėjimą, didėjant triukšmui.
1.4. Dažninis ir laikinis tankinimas
LTE ryšio sistemose leidžiama naudotis dviem tankinimo metodais: dažninis tankinimas (angl.
- FD) ir laikinis tankinimas (angl. - TD).
FD metodas naudoja dvi skirtingas dažnių juostas informacijos perdavimui: viena –
išsiuntimui, o kita – atsiuntimui (1.4 pav.). Tokios sistemos parametrai yra kanalo juostos plotis bei
dažnio tarpas tarp skirtingų perdavimo juostos dažnių, kuris imamas ne mažesnis nei 45 MHz, kitu
atveju nebus galima apsaugoti imtuvo nuo jo pačio siųstuvo signalo, nors ir naudojami skirtingi
dažnių juostos ruožai, o perduodamų signalų stiprumai gali skirtis net 100 dB [3].
-
8
1.4 pav. Dažninis tankinimas [3].
Taip pat svarbu paminėti, kad imtuvas priima ir siunčia signalus vienu metu, bei siųstuvo
dažnio juostos plotis gali būti didesnis nei imtuvo arba atvirkščiai.
TD metodas yra labiausiai paplitęs skaitmeninėse sistemose. Šis metodas ypatingas tuo, kad
duomenų išsiuntimui ir atsisiuntimui yra naudojama ta pati viena dažnių juosta. Taip pat svarbu
paminėti, kad vienu metu galimas tik informacijos išsiuntimas arba atsisiuntimas, bet kadangi
šiuolaikinėse skaitmeninėse radijo sistemose šis procesas vyksta labai greitai, galime laikyti, kad
informacija yra išsiunčiama ir priimama imtuvu vienu metu. Kaip pateikta 1.5 paveiksle, galime
pastebėti, kad yra išskiriami specialūs blokai, kuriuose pasibaigus duomenų atsisiuntimo pocikliui
yra skiriamasis saugumo intarpas, kurio tikslas išvengti duomenų persiklojimo ir pereiti į kitą –
išsiuntimo pociklį ir atvirkščiai [9].
1.5 pav. Laikinis tankinimas [9].
Taip pat svarbu paminėti, kad laikinio tankinimo LTE ryšys reikalauja geresnės nei 3 s
bazinių stočių sinchronizacijos, tai galima pasiekti naudojant palydovinio ryšio navigacines sistemas
(angl. - GPS) [3].
1.5. Antenos
Antenos dažniausiai yra parenkamos remiantis pagrindiniais jų parametrais: matmenimis,
spinduliavimo kryptingumu, stiprinimu, poliarizacija bei dažnio ruožu. Taip pat antenos yra
-
9
skirstomos į visakryptines (izotropines), sektorines ir kryptines pagal savo spinduliavimo
kryptingumo diagramas. Antenos stiprinimas nusako antenos sukuriamą srauto tankį pasirinktame
erdvės taške PSek, lyginant jį su izotopines antenos kuriamu srauto tankiu tame pačiame taške PIz, kai
siųstuvo galia abiem atvejais yra ta pati. Taip pat svarbu paminėti, kad pati antena signalo nestiprina,
o jos stiprinimas išauga, mažėjant sektorinių antenų kampams. Taigi antenos stiprinimą P galime
aprašyti tokia išraiška:
𝑃 = 10𝑙𝑔𝑃𝑆𝑒𝑘
𝑃𝐼𝑧. (1)
LTE bazinėse stotyse dažniausiai statomos trys sektorinės antenos po 1200, kad butų
sudaromas 3600 kampas. Miestuose tokios sektorinės antenos naudojamos su mažu stiprinimu, dėl
įvairių kliūčių ir oro sąlygų įtakų, tuo tarpu mažai apgyvendintose teritorijose stengiamasi naudoti
tokias antenas su dideliu stiprinimu, kad būtų gaunama kuo didesnė signalo aprėpties zona. Kitas
svarbus dalykas yra antenos nukreipimas žemyn, dažniausiai naudojamos antenos su mechaniniu
nukreipimu. Tokia antena mechaniškai nukreipiama atitinkamu kampu, kad visa spinduliavimo
energija patektų į reikiamo radiuso aprėpties zoną [1].
Kadangi LTE ryšys turi būti labai aukštos kokybės, tai tokiai kokybei užtikrinti yra
naudojamos diversinės (MISO) arba MIMO antenos (1.6 pav.). Abejų antenų konfigūracijose yra
naudojamas erdvinis tankinimas. Signalas yra priimamas dviejų antenų, tai yra pagrindinės ir
diversinės, tada toks signalas palyginamas naudojant įvairias matematines funkcijas ir galiausiai
susumuojamas. Diversijos pagalba signalas gali būti sustiprinamas iki 6 dB. Taip pat svarbu paminėti,
kad atstumas tarp antenų mažėja, mažėjant narvelių dydžiui: vidiniam naudojimui iki 4 , miestuose
iki 10 , o kaimo vietovėse iki 15 [3].
1.6 pav. MISO ir MIMO antenų konfigūracijos [7].
-
10
MIMO – tai mažiausiai du siųstuvus ir du imtuvus turinti sistema. Jei kalbėtume tik apie antenų
konfigūraciją, tai tokioje sistemoje galimas trijų efektų panaudojimas: siuntimo ir priėmimo
įvairinimas antenomis, siuntimo ir priėmimo antenų pluošto formavimas, bei jau minėtas erdvinis
tankinimas. Sistemoje yra galimas kelių lygiagrečių kanalų suformavimas, kurias perduodama
skirtinga informacija, todėl tokioje sistemoje greitaveika stipriai išauga, lyginant su mažai padidinta
siųstuvų galia. Sistema turi turėti mažiausiai tiek imtuvų, kiek lygiagrečių kanalų yra suformuota [7].
Taigi tokios sistemos privalumas, jog ji turi didelį informacijos pralaidumą kanaluose, taigi galime
užrašyti kanalų talpą (bps/Hz) [10]:
𝐶 = 𝑁 ln (1 +𝜌
𝑁), (2)
čia N – kanalų skaičius, 𝜌 – signalo/triukšmo santykis.
Taip pat svarbi savybė, kad siųstuvų ir imtuvų gali būti daugiau, negu kanalų. Paprastai MIMO
sistema vadinama tik tokia, kurioje vyksta erdvinis tankinimas – tai kai yra suformuojami lygiagretūs
perdavimo kanalai [7].
1.6. Radijo ryšio sklidimo nuostoliai
LTE ryšyje radijo bangų sklidimas gali būti dvejopas: nesant tiesioginio matomumo iki bazinės
stoties (taikoma iki 2 km) ir esant tiesioginiam matomumui, kai iki bazinės stoties daugiau nei 2 km
[11].
Realiose sąlygose tokio tiesioginio matomumo kanalo, kai į imtuvą patenka tik tiesioginis
signalas praktiškai nebūna. Visada toliau, ar arčiau nuo tiesioginio matomumo linijos esančios
kliūtys, sukelia difrakciją arba atspindi radijo bangas, o pastarosios paveikia priimamąjį signalą dėl
interferencijos su tiesiogiai atsklidusiomis bangomis. Taip pat svarbu paminėti, kad toli nuo
geometrinės linijos tarp siųstuvo ir imtuvo antenų esančios kliūtys mažai paveikia priimtąjį signalą.
Taigi reikia pabandyti įvertinti, kokia geometrinė taškų visuma erdvėje tarp siųstuvo ir imtuvo antenų
turėtų būti neuždengta kliūtimis, kad priimtasis signalas, būtų beveik toks pat, tarsi iš viso tų kliūčių
nėra [1].
Taigi, jei taškų padėčių visuma, apribota paviršiumi, per kurį bangos, nuėjusios difrakciniu keliu
iki imtuvo, bangos fazė skiriasi nuo tiesioginės bangos fazės 180o, tai tokia zona vadinama Frenelio
zona (1.7 pav.).
-
11
1.7 pav. Frenelio zonos [1].
Tokių taškų geometrinė vieta nubrėžia elipsę, kurią išreikšti galime taip:
𝑑1 + 𝑑2 +𝑛𝜆
2= 𝑎 + 𝑏 = √𝑑1
2 + 𝑟𝑛2 + √𝑑2
2 + 𝑟𝑛2 , (3)
čia n – sveikasis Frenelio zonos numeris. Iš čia galime išreikšti Frenelio zonos plotį (𝑟𝑛 ) bet kuriame
atstume nuo siųstuvo 𝑑1:
𝑟𝑛 = 17.3√𝑛𝑑1𝑑2
𝑓(𝑑1+𝑑2), (4)
kur 𝑑1, 𝑑2 – atstumas kilometrais, f – dažnis (GHz), o 𝑟𝑛 – plotis metrais.
Pastebėta, kad gaunamas tik nežymus priimtojo signalo silpninimas, kai pirmoji Frenelio zona
yra beveik neuždengta, tai yra turi būti neuždengta bent 0.6𝑟1 spindulio centrinės zonos dalies. Šis
kriterijus dažnai vadinamas 0,6 Frenelio zonos kriterijumi [1].
Taip pat labai svarbu paminėti laisvos erdvės sklidimo nuostolius, kurie turi labai didelę įtaką
radijo bangų sklidimui. Jie parodo, kokie yra signalo nuostoliai vakuume pasirinktame atstume nuo
siųstuvo. Laisvos erdvės sklidimo nuostoliai decibelais gali būti išreikšti taip [1]:
𝐿𝑑 = 32,44 + 20 lg(𝑓) + 20 lg(𝑑), (5)
kur d – atstumas nuo siųstuvo kilometrais, o f – dažnis (MHz).
Iš teoriniu matavimu:
1 lentelė. Laisvos erdvės sklidimo nuostoliai [1].
Atstumas (d), km 𝐿𝑑, dB
1 100
10 120
20 126
Elektromagnetinių bangų silpimui didelės įtakos turi bangos ilgis, kuo jis trumpesnis, tuo labiau
medžiai, krūmai, gelžbetoninės konstrukcijos bei pastatai slopina bangą. Gelžbetoninės konstrukcijos
-
12
praktiškai visiškai slopina signalą. Tuo tarpu miškų įtaka signalo slopinimui, kaip pateikta 1.8 pav.,
taip pat nėra maža. Taigi, medžių skersmuo bei pastatų sienų storis stipriai įtakoja slopimui, nes jie
yra daug didesni, negu signalo bangos ilgis [1].
1.8 pav. Signalo silpimo medžiuose priklausomybė nuo dažnio (VP – vertikali poliarizacija, HP –
horizontali poliarizacija) [1].
Lietus slopina apie 40% daugiau vertikalios poliarizacijos bangas, negu horizontalios, bet lietaus
įtaka, kaip pateikta 1.9 pav. pasireiškia tik didesniems negu 10 GHz dažniams.
1.9 pav. Signalo slopimo lietuje priklausomybė nuo dažnio [1].
Taip pat svarbu paminėti, kad oro bei vandens įtakota bangų sugertis, kaip pateikta 1.10 pav.
neturi didelės įtakos bangų silpimui dažniams mažesniems nei 100 GHz [1].
-
13
1.10 pav. Oro bei vandens įtakotos bangų sugerties priklausomybė nuo dažnio [1].
1.7. Signalo galia ir kokybė imtuve bei jo triukšmo ir interferencijos
santykis
Priimtojo ryšio signalo galia (angl. - Reference Signal Received Power (RSRP)) – tai priimama
imtuvo įėjime signalo galia, kuri parodo signalo resursinių blokų vidutinę priimamą galią, lyginant
su visa naudojama dažnių juosta [14]:
𝑅𝑆𝑅𝑃 = 𝑃 + 𝐺 − 𝐿𝑑 − 𝐿𝑀𝐶𝐿 − 10 lg(12 ∗ 𝑅𝐵), (6)
kur P – siųstuvo galia, G – antenos stiprinimas, 𝐿𝑀𝐶𝐿 – nuostoliai tarp įrangos ir bazinės stoties, RB –
resursinių blokų skaičius.
Signalo kokybė imtuvo įėjime (angl. - Reference Signal Received Quality (RSRQ)) – tai atskaitos
signalo kokybė imtuve, kuri įvertina, kokią signalo galią gauna vartotojas visos makro sistemos
atžvilgiu. RSRQ vertė kinta nuo -20 iki -3 dB [14].
Signalo, triukšmo ir interferencijos santykis (angl. - Signal Interference to Noise Ratio (SINR))
– tai signalo ir triukšmo bei signalo trukdžių sumos santykis, kurį gauna vartotojo įranga. Šis
parametras panašus į signalo ir triukšmo santykį tik papildomai yra įvertinami interferencijos
nuostoliai su kaimyninėmis bazinėmis stotimis. SINR apskaičiavimo metodai gali būti du: vienalytis
arba heterogeninis modelis, dažniausiai yra naudojama formulė skirta heteroginiams tinklams
apskaičiuoti [15]:
𝑆𝐼𝑁𝑅 = 𝑃𝑐𝑒𝑙𝑙
𝐹∗𝐵𝑊+𝑃𝑘+𝑃𝑠 , (7)
kur 𝑃𝑐𝑒𝑙𝑙 – signalo galia, kurį gaunama iš makro narvelio, F – triukšmų pasiskirstymo funkcija, 𝑃𝑘 –
bendra kaimyninių bazinių stočių galia, BW – dažnio juostos plotis, 𝑃𝑠– suminė sektorių galia.
-
14
1.8. Korinis ryšys
Narvelis - tai mažiausias judriojo ryšio tinklo geografinis regionas, kuri paprastai aptarnauja
viena bazinė stotis. Visa LTE ryšio teritorija būna sudaryta iš mažesnių arba didesnių narvelių,
priklausomai nuo regione esančio vartotojų kiekio. Jei tinklo aptarnaujamų abonentų kiekis yra
didelis, tenka mažinti narvelius, kad dažniniai kanalai būtų daugiau kartų pakartotinai naudojami.
Mažinant narvelius, taip pat gali būti mažinamas siųstuvų galingumas, kadangi ryšiui mažesniu
atstumu mažesnio galingumo pakanka. Patogiausia, kad narvelis būtų šešiakampio formos, kadangi
šios figūros sudedamos tarpusavyje, nepaliekant vadinamųjų „baltų“ (nepriklausančių jokiai bazinei
stočiai) dėmių. Dažniausiai vienai baziniai stočiai priklauso 3 makro narveliai, kaip aprodyta 1.11
pav., bet pagal poreikį tokį vieną makro narvelį sudaro mažesni, taip vadinamieji piko narveliai arba
mikro narveliai [1].
1.11 pav. Trys narveliai [1].
Taigi, šešiakampio narvelio spindulys – tai atstumas R tarp šešiakampio narvelio centro ir jo
viršūnių. Tada atstumą tarp kaimyninių narvelių galime užrašyti taip [1]:
𝐷 = 𝑅√3𝑘 = 𝑅√3(𝑖𝑗 + 𝑖2 + 𝑗2), (8)
čia k – narvelio skaičius klasteryje. Didžiausia kaimyninių narvelių grupė, kurioje nėra sutaptinių
narvelių, vadinama klasteriu.
Kiekvienas narvelis yra susietas su jo bazinės stoties naudojamu dažnių ruožu. Taigi, kad būtų
kuo mažesni sutaptinių kanalų trukdžiai, narvelius, naudojančius tą patį dažnių ruožą , kitaip dar
vadinamus sutaptiniais narveliais, reikia patalpinti kuo toliau vienas nuo kito. Be abejo, narvelių
išdėstymas turi būti periodinis. Kitaip sakant, atstumai tarp kaimyninių sutaptinių narvelių turi būti
vienodi. Sakykime, turime tris nesutaptinius narvelius A, B ir C. Struktūra tampa periodine, jei tuos
narvelius išdėstome taip, kad atstumai tarp kaimyninių sutaptinių A-A, bet kurios rūšies B-B bei C-
C narvelių yra vienodi. Atstumą D nuo koordinačių pradžios iki sutaptinio narvelio galime išreikšti
(8) lygybe. Sutaptinio narvelio vietą atskaitos narvelio atžvilgiu patogu reikšti indeksais i, j,
reiškiančiais transliacijų kiekį 𝑢, 𝜈 ašių kryptimi. Tada koordinačių pradžia laikant kurį nors vieną
-
15
narvelį, kaimyninio sutaptinio narvelio vieta nustatoma atlikus i transliacijų u ašies ir j transliacijų 𝜈
ašies kryptimis, kaip pateikta 1.12 pav. [1].
1.12 pav. Kaimyninių sutaptinių narvelių vietos radimas periodinėje struktūroje [1].
Taigi, iš čia galime daryti išvadą, kad esant kuo daugiau narvelių klasteryje, tuo gaunamas
mažesnis sutaptinių kanalų trukdžių dydis, nes atstumas tarp sutaptinių narvelių didėja. Tada, žinant
atstumą tarp sutaptinių narvelių centrų, galime užrašyti klasterio plotą:
𝑆𝑐𝑙 =6
√3
𝐷2
4=
3
2√3𝑅(𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2). (9)
O narvelio plotas išreiškiamas taip [1]:
𝑆𝑁 =6
√3(
√3
2𝑅)2 =
3
2√3𝑅2. (10)
Iš čia galime pastebėti, kad padalinus 𝑆𝑐𝑙 iš 𝑆𝑁 gausime narvelių kiekį klasteryje:
𝑘 = 𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2. (11)
Taigi, žinant aukščiau pateiktus parametrus, nesunkiai randami sutaptinių kanalų trukdžiai
heksagoninio priartėjimo atveju [1]:
𝑆
𝐼=
1
6(
𝐷
𝑅)
𝜈
2=
1
6(3𝑘)
𝜈
2 =1
6(3(𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2))
𝜈
2, (10)
čia 𝜈 – silpimo parametras. Silpimo parametro pagalba neretai aprašinėjama silpimo kreivė, esant
tiesioginio matomumo ir fedingo kanaluose, kai elektromagnetinių bangų sklidimui didelės įtakos
turi augmenija, medinės bei gelžbetoninės konstrukcijos ir pan. 1.13 pav. pavaizduota vidutinė
statistinė signalo sklidimo nuostolių kreivė, priklausomai nuo regiono urbanizavimo [1].
-
16
1.13 pav. Sklidimo nuostolių priklausomybė esant įvairiam urbanizacijos lygiui [1].
2. TD-LTE tinklo planavimas
2.1. TD-LTE tinklo planavimo parametrų aptarimas
TD-LTE tinklo planavimas buvo atliktas AB „Lietuvos radijo ir televizijos centre“ pasinaudojant
„ICS Telecom“ programinio paketo įrankiu, kurio pagalba buvo sumodeliuoti signalo pasiskirstymo
ir greitaveikos žemėlapiai, įvertinant geografinę vieta bazinių stočių įrengimui bei įvairių trukdžių ir
kliūčių įtaką ryšiui.
Prieš pradedant planuoti signalo pasiskirstymo žemėlapį yra parenkami visi reikalingi
skaičiavimams parametrai:
1. Veikimo dažnis ir tankinimo technologija;
2. Bazinių stočių vietovės;
3. Sektorinės antenos;
4. Antenų aukščiai, palenkimo kampas;
5. Siųstuvo galia;
6. Padengimo skaičiavimo modelis;
7. Antenos spinduliavimo diagrama, jos stiprinimas;
8. Įvairių nuostolių įtaka.
2.2. TD-LTE tinklo planavimo rezultatai
Pasirinktas modeliuojamas LTE tinklas naudoja laikinio tankinimo technologija su 2.3 GHz
veikimo dažnio diapazonu. Tai atitinka dar kitaip vadinamą 40 dažnių juostą (angl. – 40 Band). Yra
-
17
manoma, kad ši dažnių juosta yra viena iš keleto perspektyviausių dažnių juostų ateities globaliame
ryšyje.
Pirmiausia, pradedant planavimą, reikia pasirinkti geografinę vietovę bei pradinės bazinės
stoties vietą, šiuo atveju geografinė vieta – Naujoji Vilnia, taigi dabar reikia įvesti jos reljefo,
augmenijos bei pastatų duomenų bazes. Parenkant bazinės stoties vietą reikia atsižvelgti į minėtus
geografinės vietovės ypatumus: ar yra daug aukštų pastatų, miškų, ežerų ir panašiai. Dažniausiai
bazines stotis miestuose stengiamasi pastatyti neaukštai, nes kuo žemiau yra bazinė stotis tuo
mažesnis yra narvelis. Tada mikronarvelis skleidžia mažus sutaptiniu kanalų trukdžius ir gali dirbti
kaimyninių nesutaptinių makronarvelių dažniuose. Tokiu būdu galima gerokai padidinti dažnių
pakartotinį panaudojimą ir tuo pačių aptarnauti daugiau vartotojų. Patikrinęs geografinę vietovę
pastebėjau, kad geriausia vieta pradinei bazinei stočiai yra Palydovo g. 15, Vilnius, tai yra bažnyčia,
kurios vietovės aukštis: ~180 m nuo jūros lygio, jei įtrauksime pastato matmenis aukštis padidėja
iki 240 m maksimumo. Taigi, sektorines antenas tokioje vietoje parinkau kabinti 35 m aukštyje nuo
žemės lygio, su 50 palenkimu. Sektorinės antenos bazinėms stotims parinktos iš „Alpha Wireless“
firmos produkcijos, o pagrindiniai sektorinių antenų parametrai pateikti 2.1 paveiksle.
2.1 pav. Sektorinių antenų parametrai [12].
Toliau, 2.2 paveiksle yra pateikti likę planuojamos bazinės stoties siųstuvo/imtuvo parametrai.
Iš čia matyti, kad vieno sektoriaus siųstuvo nominali galia yra 20 W, imtuvo ir siųstuvo antenų galia:
20.51 dB, o siųstuvo galios praradimai yra įvertinami apie 2 dB. Kaip jau buvo minėta ankščiau,
naudojamas laikinis tankinimas, kuriame yra fiksuota viena dažnių juosta, taip pat svarbu paminėti,
kaip ir pateikta 2.2 pav. yra naudojamas narvelių dažninis panaudojimas, kur dažnių diapazonas turi
būti artimas 2.3 GHz.
-
18
2.2 pav. Bazinės stoties siųstuvo/imtuvo parametrai.
Taigi, turint visus prieš tai minėtus parametrus, galime įvesti „Alpha Wireless“ firmos 600 antenos
spinduliavimo diagramą, kuri pateikta 2.3 paveiksle.
2.3 pav. „Alpha Wireless“ 600 antenos spinduliavimo diagrama.
Dabar esant įvestiems visiems parametrams, galime sumodeliuoti pradinės bazinės stoties
signalo pasiskirstymo žemėlapį, kuris pateiktas 2.4 paveiksle. Iš čia galime pastebėti, kad signalas
labiausiai pasiskirstęs ~3 km spinduliu nuo stoties, tolimesni išplitę signalai yra dėl gero tiesioginio
matomo, tai yra neužstoja jokios kliūtys, todėl net Pakalniškėse galime turėti vidutinį signalą ir
greitaveiką.
-
19
2.4 pav. Pradinės bazinės stoties signalo pasiskirstymo žemėlapis.
Toliau, panagrinėkime 2.5 paveikslą, čia pateiktas signalo pasiskirstymo žemėlapis bazinės
stoties epicentre, kur signalas labai stiprus. Norint toliau statyti likusias bazines stotis reikia
nusistatyti šio stipraus signalo spindulį, tada bus galima įvertinti, kokio dydžio narvelius naudoti, kad
tokiu stipriu signalu būtų pilnai padengtas geografinis regionas.
2.5 pav. Pradinės bazinės stoties labai stipraus signalo pasiskirstymo žemėlapis.
Kaip ir pateikta 2.5 paveiksle, šis spindulys yra apie 1.3 km, tai reiškia vieno sektorius spindulys
turėtų būti iki 1.3 km bei naudojamas netiesioginis padengimo skaičiavimo modelis, kuris taikomas
esant mažiems tiesioginio matomumo su bazine stotimi atstumams. Taigi, dabar pagal analogiją
-
20
pradinei bazinei stočiai yra parenkamos tinkamiausios vietos šioms bazinėms stotims, įvertinamas jų
antenų aukštis, palenkimo kampas bei įvedami kiti reikalingi parametrai (2.6 pav.).
2.6 pav. Likusių baziniu stočių projektavimas.
Taigi, atlikus likusių bazinių stočių planavimą, kur signalo pasiskirstymo rezultatai pateikti 2.7
ir 2.8 pav., galime pastebėti, kad nemažai stipraus ir vidutinio stiprumo signalo patenka į aplinkines
vietoves, dėl minėto tiesioginio matomumo, o tuo tarpu Naujosios Vilnios mikrorajonas yra
padengtas ~80 proc. labai stipriu signalu, o likusios nedidelės silpnesnės šios geografinės vietovės
sritys yra dėl miškingų vietovių ir aukštesnių pastatų įtakos.
2.7 pav. Visas LTE signalo pasiskirstymo žemėlapis.
-
21
2.8 pav. Naujosios Vilnios LTE signalo pasiskirstymo žemėlapis.
Turint, signalo pasiskirstymo žemėlapį, galime įvertinti šio regiono interferencija bei triukšmą
sumodeliuodami signalo triukšmo santykio žemėlapį. Iš gautų „ICS Telecom“ programos
modeliavimo rezultatų, kurie pateikti 2.9 pav., galime pastebėti, kad kai kuriose vietose ties narvelių
zonų susikirtimais, matomi nedideli signalo trukdžiai, kuriuos sukelia narvelių persiklojimai, kitaip
tariant tokia nedidelė interferencija atsiranda dėl sektorinių antenų spinduliavimo persiklojimo, taip
pat tai gali įtakoti minėtos miškingos vietovės bei aukštesni pastatai.
2.9 pav. Naujosios Vilnios signalo/triukšmo santykio žemėlapis.
-
22
Tuo tarpu, atmosferos įtakos galime neįvertinti, nes narvelių atstumai yra pakankamai maži, tai
lietaus bei oro įtakota bangų sugertis, šiuo atveju, nykstamai maža prie 2,3 GHz dažnio (1.10 pav.).
Galiausiai apskaičiuojame greitaveiką šiame regione, įvertinant signalo-triukšmo santykį, bei
sumodeliuojame šios greitaveikos žemėlapį (2.11 pav.). Kadangi, bazinė stotis yra išmanioji, ji pagal
signalo stiprumą bei signalo-triukšmo santykį, gali parinkti, kokią moduliacijos schemą naudoti tam
tikroje geografinėje zonoje, nuo to priklauso ir greitaveika. Įvairių moduliacijos schemų greitaveikos
priklausomybė, apskaičiuota ir pateikta 2.10 pav. Iš šios priklausomybės matyti, kad pasiekus geresnį
signalo-triukšmo santykį, moduliacija automatiškai perjungiama į aukštesnę su didesne greitaveika.
2.11 pav. Naujosios Vilnios greitaveikos pasiskirstymo žemėlapis.
2.10 pav. Greitaveikos priklausomybė nuo signalo/triukšmo santykio, esant skirtingoms moduliacijoms.
-
23
3. LTE tinklo modeliavimas
3.1. LTE tinklo modeliavimo įranga
LTE tinklo modeliavimui atlikti buvo naudojama bandomoji kompiuterinė platforma sukurta
Vilniaus Universiteto Telekomunikacijų mokslo centro, bendradarbiaujant su „Huawei
technologies“, „Omnitel“ ir „Blue Bridge“ kompanijomis. Joje įdiegta „Linux Ubuntu“ operacinės
sistemos virtualus serveris, kuris skirtas telekomunikacinių technologijų modeliavimui, naudojant
„GNU Octave“ algoritmus ir „Phyton“ programavimo kalbos skriptus. Dėl šios platformos aukštų
techninių parametrų, sistema vienu metu sugeba atlikti didelį matavimų kiekį bei išgauti labai tikslius
matavimo rezultatus, nes modeliavimui yra naudojamas Monte Carlo statistinis metodas, taip pat
gautais rezultatais galima dalintis ir su kitais tyrimo dalyviais [13].
3.1 pav. Virtualaus serverio aplinka [13].
Kaip ir pateikta 3.1 paveiksle, virtualaus serverio struktūra sudaryta iš: 1. Komandinės eilutės
sąsajos (angl. - Command line interface), kuris skirtas algoritmo tobulinimui ir testavimui bei
rezultatų atvaizdavimui realiu laiku; 2. Saugaus duomenų perdavimo protokolo (angl. - Secure FTP
connection), kurio pagalba galima atidaryti, įkelti ir išsaugoti vaizdo bylų duomenis bei programinio
kodo bylas; 3. Vaizdinės internetinės sąsajos, paremtos „Phython“ programavimo kalba (angl. -
IPython Notebook), kuri skirta mažos apimties modeliavimo rezultatams atvaizduoti, kadangi
reikalauja daug serverio resursų, ir dėl to didėja modeliavimo skaičiavimo trukmė [13].
Kitame poskyryje yra pateikta, šio virtualaus serverio pagalba atlikti TD-LTE ir FD-LTE
technologijų modeliavimai. Modeliuojant šių technologijų modelius buvo naudojamos įvairios „GNU
Octave“ programinio paketo funkcijos, įskaitant papildomus tyrimo tikslui sukurtus algoritmus.
-
24
3.2. TD-LTE ir FD-LTE technologijų pagrindiniai parametrai ir metodika
LTE tinklo modeliavimas susideda iš kelių procesų, kurių metu sukuriamos skirtingų
technologijų LTE bazinės stotys su vienodais parametrais (2 lentelė).
2 lentelė. LTE bazinių stočių parametrai.
Parametras TD-LTE (3:1) TD-LTE (2:2) FD-LTE
Centrinis dažnis 2,3 GHz 1,8 GHz 2,14 GHz
Resursinių blokų skaičius 75 50 100
Dažnių juostos plotis 15 MHz 10 MHz 20 MHz
Imtuvo triukšmo lygis 7 dB
Siųstuvo antenos aukštis 40 metrų
Mobilaus įtaiso aukštis 1 metras
Makronarvelio spindulys 1,33 kilometro
Siųstuvo galia 43 dBm
Antenų palenkimo kampas 5 laipsniai
Sektorių kiekis vienoje stotyje 3 sektoriai
Minimalus signalo lygis - jautrumas -105 dBm
Imtuvo temperatūra 23 0C
Šių stočių siųstuvų pagalba, gaunami signalo triukšmo ir interferencijos santykio (SINR), signalo
galios (RSRP), greitaveikos makro narvelių padengimo žemėlapiai ir jų pasiskirstymo funkcijos
idealiuose sąlygose, kadangi bus lyginami skirtingų technologijų skirtingi scenarijai, todėl laikysime,
kad reljefo, augmenijos ir pastatų įtakos nėra. Bet modeliuojant radijo sklidimo kanalus, įskaitysime
atstumo sklidimo nuostolius, šiluminius bei foninius signalus. Taip pat sukuriamos kaimyninės
bazinės stotys su tam tikru vartotojų pasiskirstymu, kuris nulemia tarpsektorinę interferenciją.
Sekančiu punktu bus palygintos TD-LTE ir FD-LTE technologijų vidutinės sektoriaus perdavimo
spartos, bazinių stočių apkrovos priklausomybės nuo duomenų greitaveikos poreikio kvadratiniame
kilometre, jei laikysime, kad vartotojų skaičius plote pasiskirsto tolygiai.
Rezultatai yra pateikiami statistiškai suvidurkinti, atvaizduojant juos grafiškai, rezultatų
tikslumas ir vaizdinė skyra priklauso nuo rezultatų suvidurkinimo kiekio, todėl modeliavimui yra
naudojamas Monte Carlo statistinis metodas, kuriam reikalingas didelis momentinių kadrų skaičius.
-
25
3.3. Modeliavimo rezultatai ir jų aptarimas
Pirmiausia buvo atliekami TD-LTE technologijos modeliavimo scenarijai, tame pačiame dažnių
diapazone: vienas analogiškai naudojamas LRTC tinkle, tai yra TD-LTE (3:1), bei kitas pasirinktas
palyginimui TD-LTE (2:2). Kadangi šį technologija Lietuvoje yra unikali buvo iškeltas tikslas
palyginti su kitų operatorių naudojama FD-LTE technologija, 1,8 GHz ir 2,14 GHz dažnių diapazone,
naudojant tuos pačius bazinių stočių parametrus, kaip pateikta 2 lentelėje.
Prieš aptariant sumodeliuotus padengimo žemėlapius, reikia įvertinti naudojamų antenų
spinduliavimo diagramas, esant skirtingoms technologijoms ir scenarijams.
3.2 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE 2,3 GHz 3D vertikalios poliarizacijos spinduliavimo
diagramos.
-
26
Jų modeliai trimačiame pavidale pateikti 3.2 pav., esant vertikaliai poliarizacijai ir 3.3 pav. –
esant horizontaliai poliarizacijai.
3.3 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE 2,3 GHz 3D horizontalios poliarizacijos spinduliavimo
diagramos.
Iš gautų rezultatų matyti, kad FD-LTE technologijos spinduliavimo diagramos yra labiau
orientuotos į mažo atstumo, bet plataus signalo padengimo zonas, tuo tarpu TD-LTE technologija
stengiasi padengti didesnio atstumo, bet siauras zonas. Tai geriau matosi, 3.4 paveiksle, kur
papildomai yra įvertinami ir kiti bazinės stoties parametrai.
-
27
3.4 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz imtuvų
signalo galios (RSRP) padengimas.
Palyginus skirtingų technologijų imtuvų signalo galio padengimo žemėlapius, galime pastebėti,
kad 2,14 GHz FD-LTE turi mažiausią stipraus signalo padengimą, bet tolimesniuose makronarvelio
taškuose galėtinai nemažame regione pasireiškia interferencija, tai yra kai kuriuose regionuose
signalas sustiprėja, kai sklindančios bangos susideda, o kai kur susilpnėja, kai jos atsiima – atėjusios
skirtingomis fazėmis. Tuo tarpu, FD-LTE 1,8 GHz atveju, kaip ir buvo minėta ankščiau iš
spinduliavimo diagramos, kad stiprus signalas pasiskirsto mažame atstume, bet labai plačiai, todėl
nėra paliekamų „baltų“, silpno signalo, zonų. O TD-LTE atveju, stiprus signalas pasiskirsto
dideliame atstume, bet siaurame intervale, todėl šiuo atveju būtų tikslinga naudoti 6 sektorius arba
didesnio spinduliavimo kampo antenas. Taip pat galime pastebėti, kad skirtingų scenarijų TD-LTE
signalų galios padengimai atrodo identiškai, realiomis sąlygomis, jie skiriasi, tai gerai atspindi
RSRP signalo pasiskirstymo 3.5 paveikslas.
-
28
3.5 pav. RSRP signalo pasiskirstymas.
Iš pateiktos priklausomybės, matyti, kad esant silpniems signalams TD-LTE (2:2) atveju, jis
labiau išsiplečia tolimesniuose taškuose, tuo tarpu TD-LTE (3:1), esant tam pačiam pasiskirstymui
turi palyginamai silpnesnį signalą, vadinasi padengimas yra šiek tiek mažesnis. Analogiškai galima
būtų lyginti ir FD-LTE atvejus. 3.4 pav., kaip buvo minėta ankščiau buvo modeliuojamas, esant -105
dBm minimaliam imtuvo jautrumui, šioje grafiko dalyje pasiskirstymas yra didžiausias ir tiesinis
lyginant su visais nagrinėjamais scenarijais, todėl rezultatai yra gaunami, tik esant gerai bei vidutinei
paslaugos kokybei, nes vartotojui, kuris patenka į silpno signalo padengimo zoną, teikiama paslaugos
kokybė gali ir netenkinti. Taigi, geriausias faktorius, kuris nusako paslaugos kokybę, yra pateiktas
3.6.1 ir 3.6.2 paveiksluose, tai signalo, triukšmo bei interferencijos santykis (SINR).
3.6.1 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz signalo, triukšmo ir interferencijos santykio (SINR) padengimas.
-
29
3.6.2 pav. c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz signalo, triukšmo ir interferencijos santykio (SINR)
padengimas.
Gauti modeliavimo rezultatai papildo prieš tai aptartus rezultatus, pagrindinis aspektas, kad
pateikiamas didesnis padengimas, kadangi žemėlapiuose gerai matosi vidutinio stiprumo signalo
pasiskirstymas, kuris atsiranda dėl atstumo sklidimo, šiluminių bei interferencijos sukeltų signalų
nuostolių. Šių technologijų SINR pasiskirstymas pateiktas 3.7 paveiksle.
3.7 pav. Skirtingų technologijų SINR pasiskirstymas.
Iš pateiktos priklausomybės matyti, kad ties silpnu 6 dB signalo, triukšmo ir interferencijos
santykiu, jo pasiskirstymas TD-LTE ir FD-LTE technologijose yra vienodas. Toliau gerėjant signalo
kokybei, šis pasiskirstymas keičiasi, tai yra TD-LTE atveju, esant tam pačiam pasiskirstymui, SINR
bus žymiai didesnis, dėl jau minėto labiau nutolusio geresnio signalo padengimo. Kadangi signalo,
-
30
triukšmo ir interferencijos santykis nusako paslaugos kokybę, įvertinus ją, galime sumodeliuoti
greitaveikos pasiskirstymo žemėlapius, kurie pateikti 3.8 paveiksle.
3.8 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz greitaveikos
padengimas.
Palyginus skirtingų scenarijų greitaveikos padengimo žemėlapius galime pastebėti, kad FD-LTE
technologija pasižymi didele greitaveika ~70-60 Mbps, bet labai mažoje padengimo srityje, didesnę
jos dalį sudaro vidutinio spartumo greitaveika: ~50-40 Mbps. Tuo tarpu TD-LTE technologija,
pasižymi ~55-30 Mbps greitaveika palyginamai tolimesniuose padengimo taškuose. Pagrindinė
problema, kuri nulemia TD-LTE greitaveiką, tai vieno 20 MHz dažnio ruožo naudojimas išsiuntimui
ir priėmimui, todėl nors ir galime išgauti šios technologijos pagalba didesnio gero signalo padengimą,
turime įvertinti vartotojų poreikius, nes norint pagerinti vieną parametrą turime pabloginti kitą. Kitas
svarbus dalykas, kurį reikia aptarti yra sektoriaus perdavimo sparta bei bazinės stoties apkrova, tai
yra jų priklausomybė nuo greitaveikos poreikio ploto vienete.
-
31
3.9 pav. Vidutinės sektoriaus perdavimo spartos priklausomybė
nuo jos poreikio ploto vienete.
3.10 pav. Bazinės stoties apkrovos priklausomybė nuo
greitaveikos poreikio.
Iš 3.9 pav. ir 3.10 pav. priklausomybių matyti, kad skirtingiems technologijų scenarijams sektorių
pajėgumai, taip pat nėra vienodi, esant tiems patiems bazinių stočių parametrams. Kadangi, kaip jau
buvo minėta ankščiau, pagrindinis šios perdavimo spartos faktorius yra dažnių juostos plotis, todėl
FD-LTE technologija turi didelę perdavimo spartą, kuri įsisotina, tai yra pasiekiamas maksimalus
bazinės stoties pajėgumas, tik prie didelių spartos verčių, tame pačiame plote, o tai labai stipriai
įtakoja vartotojų greitaveikoms, nes dėl didelių duomenų srautų yra užpildomi perdavimo duomenų
kanalai. Tuo tarpu TD-LTE technologijoje ši sparta yra kintama, raudona kreive pavaizduoto
scenarijaus atveju, perdavimo atsisiuntimo sparta yra mažesnė, bet laimimas didesnis talpumas,
padengimas bei dvigubai didesnis išsiuntimo greitis, o juodos kreivės – scenarijus pateikia mažesnį
padengimą bei talpą, bet ~50 procentų didesnį atsisiuntimo greitį.
4. Eksperimentinis TD-LTE tinklo įvertinimas
4.1. Metodika ir eksperimentinė įranga
Atliekant TD-LTE tinklo eksperimentinį įvertinimą, pirmiausia buvo įvertintas teorinis
Naujosios Vilnios padengimo žemėlapis, kuriame pasirinktos 6 atsitiktinės vietovės (4.1 pav.),
siekiant įtraukti tiek silpno, tiek stipraus padengimo zonas palyginti jas su teoriniais rezultatais.
-
32
4.1 pav. TD-LTE teorinis padengimo žemėlapis su pasirinktomis vietovėmis.
Eksperimentiniams matavimams buvo pasitelktas AB „Lietuvos radijo ir televizijos centro“
įsigytas įrankis „iManager U2000 MBB Network Management System“ bei USB ir MiFi abonentinės
įrangos modemai (4.2 pav.), kuriuos sukūrė „Huawei technologies“ . Šio programinio įrankio pagalba
galima ne tik kurti LTE tinklo topologijas, jas konfigūruoti, atlikti įvairių bazinių stočių parametrų
bei sutrikimų stebėjimus, bet taip pat atlikti abonentinės įrangos parametrų laikinius matavimus (4.3
pav.).
4.2 pav. Kairėje USB TD-LTE modemas, dešinėje MiFi TD-LTE modemas.
4.3 pav. „iManager U2000 MBB Network Management System“ abonentinės įrangos laikinių parametrų matavimai.
-
33
Kadangi vartotojams yra svarbiausia kokybė ir greitaveika, rezultatai apskaičiuojami ir
pateikiami, kaip greitaveikos laikinės statistikos priklausomybė nuo SINR bei RSRQ, kurie taip pat
palyginami su teorinėmis vertėmis.
4.2. Eksperimentiniai TD-LTE tinklo rezultatai
TD-LTE tinklo eksperimentiniai tyrimai buvo atlikti dviejų tipų modemais: USB, kuris skirtas
stipraus padengimo zonose ir MiFi, kuris turi nedidelio stiprinimo stiprintuvą imtuvo įėjime.
Pirmiausia aptarsime, kaip skiriasi šių modemų signalo kokybės (RSRQ) bei signalo,
interferencijos ir triukšmo santykio (SINR) laikinės statistikos priklausomybė nuo atsisiuntimo
greičio pasirinktose vietovėse (4.4 pav. ir 4.5 pav.).
4.4 pav. SINR priklausomybė nuo atsisiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi
modemo rezultatai.
4.5 pav. RSRQ priklausomybė nuo atsisiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi
modemo rezultatai.
-
34
Iš 4.4 pav. ir 4.5 pav. priklausomybių matyti, kad MiFi modemas yra palyginamai jautresnis, nei
USB modemas, jo pagalba buvo galima užfiksuoti net itin silpnus signalus iš 6 vietovės, kur pagal
teorinį padengimą signalo visai nėra. Taip pat matome, kad 1 ir 5 vietovės turi labai stabilius ir
kokybiškus signalus, bei gaunama maksimali greitaveika. Reiktų atkreipti dėmesį į tai, kad 5 vietovė
pagal teorinį padengimą yra ribinėje narvelio zonoje, nors realiomis sąlygomis pavyko išgauti gana
stabilų, nors palyginamai triukšmingą signalą. Tuo tarpu 2, 3 ir 4 vietovėse užfiksuotas didelis
išsibarstymas, kuris parodo ne tokią stabilią greitaveiką bei signalą. Ypatingai tai pasireiškia 2
vietovėje, nors ir pagal teorinį padengimą turėtų būti patikima ir stabili ryšio zona. Taip pat labai
įdomūs rezultatai gauti iš 3 vietovės, nors ir SINR ir RSRQ pakankamai geri, gaunama maža
greitaveika, atlikus detalesnę analizę buvo pastebėta, kad tuo laikotarpiu bazinėje stotyje buvo
pasiekta stoties maksimali greitaveika ir viršytas kanalo pralaidumas, dėl tos priežasties buvo
ribojama klientų greitaveiką.
Taigi, analogiškai galime įvertinti SINR laikinę statistinę priklausomybę nuo išsiuntimo spartos
skirtingose vietovėse (4.6 pav.).
4.6 pav. SINR statistinė priklausomybė nuo išsiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi
modemo rezultatai.
Iš 4.6 pav. matyti, kad silpno signalo zonose išsiuntimo greitis yra labai mažas, faktiškai artėja į
nulį, tokiu atveju interneto ryšys gali trūkinėti, dėl ilgo atsako iš bazinės stoties. Eksperimentiškai
pastebėta, kad kokybiškai naudotis paslauga galima, tik tada, jei SINR siekia bent 10 dB arba
išsiuntimo greitis turi būti ~1 Mbps ir daugiau, kitaip net turint gera atsisiuntimo greitį užtikrinti geros
duomenų perdavimo kokybės negalėsime.
-
35
Išvados
1. Įsisavinus “ICS Telecom“ programinio paketo pagrindus buvo suplanuoti Naujosios Vilnios
signalų pasiskirstymo, signalo/triukšmo santykio bei greitaveikos žemėlapiai. Iš kurių buvo
pastebėta, kad ~80 proc. mikrorajono yra padengta labai stipriu signalu, o likusios šios
vietovės sritys yra silpnesnės dėl miškingų vietovių ar aukštesnių pastatų įtakos, tuo tarpu
lietaus bei oro sukelta signalo sugertis prie 2,3 GHz dažnio yra nykstamai maža, dėl mažų
narvelių atstumų.
2. Apskaičiavus greitaveiką šiame regione buvo nustatyta, kad pasiekus geresnį signalo-
triukšmo santykį, moduliacija automatiškai perjungiama į aukštesnio lygio su didesne
greitaveika.
3. Taip pat atlikus FD-LTE ir TD-LTE technologijų modeliavimą „GNU Octave“ programiniu
paketu buvo pastebėta, kad dažninio tankinimo stiprus signalas pasiskirsto labai mažame
atstume, todėl didžioji padengimo dalis užpildoma vidutiniu signalu, o laikinio tankinimo
atveju, stiprus signalas pasiskirsto atvirkščiai – dideliame atstume, bet gana siaurame
padengimo srities ploto ruože.
4. Nustatyta, kad FD-LTE technologija turi didelę perdavimo spartą (~70-60 Mbps) artimojoje
bazinės stoties zonoje, tuo tarpu TD-LTE technologijoje ši sparta kinta (~55-30 Mbps),
priklausomai nuo atsisiuntimo ir išsiuntimo santykio: vienu atveju (2:2) atsisiuntimo sparta
yra mažesnė, bet laimimas didesnis talpumas, padengimas bei dvigubai didesnė išsiuntimo
sparta, kitu (3:1) gaunamas mažesnis padengimas bei talpa, bet laimima ~50 proc.
atsisiuntimo spartos.
5. Eksperimentiškai nustatyta, kad vietovėse su dideliu SINR ir RSRQ gaunama labai stabili,
kokybiška ir maksimali greitaveika, kuri atitinka teoriškai apskaičiuotas padengimo vertes,
taip pat pastebėta, kad galimi ir nukrypimai: tiek palyginamai mažesnė greitaveika, dėl srauto
ribojimo iš bazinės stoties; tiek duomenų srauto trūkinėjimas, dėl mažo išsiuntimo greičio.
-
36
Literatūra
[1] A.Kežionis "Radijo sąsaja šiuolaikinėse telekomunikacijų sistemose" ir laboratorinių darbų
aprašų teorija. Vilnius, p.6-7, p.28-31, p.100-102, p.112-118, 1 lab. apraš. p.18-23, 2 lab. apraš. p.3-
6, 9 lab. apraš. p.13-14, 2008.
[2] V.H.Muntean, M.Otesteanu. "WiMAX versus LTE - An overview of technical aspects for Next
Generation Networks technologies" in IEEE Communications Magazine, p.225-228, 2010.
[3] L.Korowajczuk. "LTE, WIMAX AND WLAN NETWORK DESIGN, OPTIMIZATION AND
PERFORMANCE ANALYSIS“, CelPlan Technologies", Inc., Reston, VA, USA, p.204-207, p.265-
266, p.411, 2011.
[4] K.Bogineni, R.Ludwig et co. “LTE Part I: Core Network – Guest Editorial” in IEEE
Communications Magazine, vol. 47, No. 2, February 2009.
[5] B.Furht and S.Ahson. Long Term Evolution – 3GPP LTE Radio and Cellular Technology. CRC
Press, 2009.
[6] Darren McQueen. “The Momentum Behind LTE Adoption” in IEEE Communications Magazine,
vol. 47, No. 2, February 2009.
[7] Agilent "3GPP Long Term Evolution: System Overview, Product Development, and Test
Challenges", Agilent Technologies, Inc., 2008.
[8] Roger L. Freeman, “Fundamentals of Telecommunications”. p.218-220, 1999.
[9] E.Dahlman, S.Parkvall, J.Sköld. "4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband" p.137-138,
2011.
[10] Anderson Harry R., Fixed Broadband Wireless: System Design, p.225, 2003 John Wiley & Sons,
Ltd ISBN: 0-470-84438-8.
[11] Z.H. Talukder, S.S. Islam, D. Mahjabeen, "Cell Coverage Evaluation for LTE and WiMAX in
Wireless Communication System" World Applied Sciences Journal 22 (10): 1486-1491, 2013.
[12] „Alpha Wireless“ 2300-2700MHz Sector Antenna AW3163 Data Sheet, Alpha Wireless, 2015.
[13] R.Aleksiejūnas, K.Svirskas, J.Krivochiža, J.Aleksandravičius. “Simulation Framework for
MIMO LTE Network Performance Analysis”, Innovative Infotechnologies for Science, Business and
Education, ISSN 2029-1035 – 2(15) 2013 – Pp. 9-13.
[14] Linlin Luan, Muqing Wu, Jing Shen, Junjun Ye, Xian He. “Optimization of Handover Algorithms
in LTE High-speed Railway networks”, Beijing University of Posts and Telecommunications, 2012.
[15] A. Ghosh; R. Ratasuk. “Essentials of LTE and LTE-A”, Cambridge, 2011.
-
37
Vilnius University, Department of Radiophysics
Raimondas Girštautas
TD-LTE NETWORK’S COMPUTER SIMULATION AND EXPERIMENTAL
EVALUATION
Master degree thesis
Summary
The LTE radio access is based on Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA)
technology and supports different carrier frequency bandwidths (1,4–20 MHz) in both frequency-
division duplex (FD) and time-division duplex (TD) modes.
In nowadays there is rapidly developing and very popular high-bandwidth wireless transmission
systems, such as LTE. So, my experiment aims are to make wireless TD-LTE network planning with
“ICS Telecom“: theoretically calculating signal distribution and throughput maps, assessing the
geographical location of the base stations installations and various interference influences in
communications. Also, make some computer simulations of this network scenario with GNU Octave
software package, compared with FD-LTE technology. Finally to carry out experimental TD-LTE
network evaluation, compared with the theoretical modeling results.
The investigations were carried out in the public company "Lithuanian Radio and Television
Centre” (LRTC), and Vilnius University Telecommunications Science Center. After acquiring bases
of “ICS Telecom” program package, were planned New Vilnia signal distribution, signal and noise
ratio and throughput maps. It has been observed that the region was covered with ~ 80 percent of very
strong signal, the rest of the area was weaker due to woodland or higher buildings affect. These
results were compared with experimental, there was found that areas with high SINR and RSRQ
obtained a very stable, high-quality and maximum throughput, which corresponds to the theoretical
coverage values, also noted that it is possible both: comparatively lower throughput due to flow
restriction of a base station; and data stream cracking due to low upload speeds. Finally, a comparison
of FD-LTE and TD-LTE technology modeling with “GNU Octave" software package, was
discovered that the FD-LTE technology has a high transfer speed (~70-60 Mbps) near the base station
area, while the TD-LTE technology speed is variable (~ 55 to 30 Mbps), depending on the download
and upload ratio.