Материал: Организация беспроводного доступа в сельском районе с использованием технологии LTE

5 РАСЧЕТ ЗОН РАДИОПОКРЫТИЯ ДЛЯ СЕТИ LTE НА ТЕРРИТОРИИ ВОТКИНСКОГО РАЙОНА

В процессе планирования радиосетей LTE имеется ряд отличий от процесса планирования других технологий беспроводного радиодоступа. Главное отличие - это использование нового типа многостанционного доступа на базе технологии OFDM, в связи с чем появляются новые понятия и изменяются алгоритмы проектирования.

Планирование радиосети LTE будет производиться в сельской местности, а это значит, что плотность абонентов будет невысока и базовые станции должны устанавливаться на максимальном удалении друг от друга с целью закрыть каждой eNB как можно большую территорию. В связи с этим нужно подобрать соответствующий частотный диапазон. В данном случае нужно руководствоваться правилом, что чем ниже частота, тем дальше распространение радиосигнала. Частотный диапазон 791 - 862 МГц вполне подойдет для выполнения этой задачи. Тип дуплекса выберем частотный - FDD.

5.1 Анализ радиопокрытия

Анализ радиопокрытия начнем с вычисления максимально допустимых потерь на линии (МДП). МДП расчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью передатчика (ЭИИМ) и минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника сопряженной стороны, при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается нормальная демодуляция сигнала в приемнике.

Принцип расчета МДП показан на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Принцип расчета МДП

При расчетах будем использовать следующие параметры:

·        системная полоса: 20 МГц; для FDD = 10/10 (DL/UL);

·        eNB - на каждом секторе один TRX, выходная мощность

TRX = 40 Вт (46 дБм); работает на линии DL в режиме MIMO 2×2;

·        UE - абонентский терминал - USB-модем, класс 4 - ЭИИМ 33 дБм;

·        соотношение длительности кадров DL/UL: 100%/100%.

Расчет максимально допустимых потерь производится по формуле:

(5.1)

где Pэиим.прд - эквивалентная излучаемая мощность передатчика;

Sч.пр - чувствительность приемника;

GА.прд - коэффициент усиления антенны передатчика, GА.прд: DL = 18 дБи, UL = 0 дБи;

LФ.прд - потери в фидерном тракте передатчика, LФ.прд: DL = 0,3 дБ;

Мпрон - запас на проникновение сигнала в помещение для сельской местности, Мпрон = 12 дБ;

Mпом - запас на помехи. Мпом определяется по результатам моделирования системного уровня в зависимости от нагрузки в соседних сотах; значение Мпом соответствует нагрузке в соседних сотах 70%. Mпом: DL = 6,4 дБ; UL = 2,8 дБ;

Gхо - выигрыш от хэндовера. Значение выигрыша от хэндовера - результат того, что при возникновении глубоких замираний в обслуживаемой соте, абонентский терминал может осуществить хэндовер в соту с лучшими характеристиками приема. Gхо = 1,7 дБ.

Pэиим.прд рассчитывается по формуле:

                                                (5.2)

где Рвых.прд - выходная мощность передатчика. Рвых.прд в линии «вниз» (DL) в LTE зависит от ширины полосы частот сайта, которая может колебаться от 1,4 до 20 МГц. В пределах до 5 МГц рационально выбрать передатчики TRX мощностью 20 Вт (43 дБм), а свыше 5 МГц - 40 Вт (46 дБм). Рвых.прд: DL = 46 дБм, UL = 33 дБм.

Для линии DL:

Pэиим.прд = 46 + 18 - 0,3 = 63,7 (дБм),

Для линии UL:

Рэиим.прд = 33 (дБм).

Sч.пр рассчитывается по формуле:

                                                                   (5.3)

где Ртш.пр - мощность теплового шума приемника, Ртш.пр: DL = -174,4 дБм, UL = -104,4 дБм;

Мосш.пр - требуемое отношение сигнал/шум приемника. Значение Мосш.пр взято для модели канала «Enhanced Pedestrian A5». Мосш.пр: DL = -0,24 дБ; UL = 0,61 дБ;

Lпр - коэффициент шума приемника, Lпр: DL = 7 дБ, UL = 2,5 дБ;

Для линии DL:

Sч.пр = -174,4 + (-0,24) + 7 = -167,64 (дБм),

Для линии UL:

Sч.пр = -104,4 + 0,61 + 2,5 = -101,29 (дБм).

С учетом полученных результатов по формулам (5.2) и (5.3), рассчитаем значение МДП:

Для линии DL:

LМДП = 63,7 - (-167,64) - 12 - 6,4 - 8,7 - 1,7 = 205,94 (дБ),

Для линии UL:

LМДП = 33 - (-101,29) + 18 - 0,4 - 12 - 6,4 - 8,7 + 1,7 = 126,5 (дБ).

Из двух значений МДП, полученных для линий DL и UL выбираем минимальное, чтобы вести последующие расчеты дальности связи и радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх.

Для расчета дальности связи воспользуемся эмпирической моделью распространения радиоволн Okumura - Hata. Данная модель является обобщением опытных фактов, в котором учтено много условий и видов сред. В модели Okumura - Hata предлагается следующее выражение для определения среднего затухания радиосигнала в городских условиях:

(5.4)

Для сельской местности выражение примет вид с поправкой:

                                    (5.5)

где fc - частота от 150 до 1500 МГц;

ht - высота передающей антенны (подвеса eNB) от 30 до 300 метров;

hr - высота принимающей антенны (антенны мобильного устройства) от 1 до 10 метров;

d - радиус соты от 1 до 20 км;

A(hr) - поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта, зависящий от типа местности.

Произведем выбор параметров для расчетов:

·        fc = 800 МГц;

·        ht = 72 метра;

·        hr = 3 метра.

Найдем поправочный коэффициент A(hr) для сельской местности по формуле:

                     (5.6)

Вычислив из формул (5.4) и (5.5) радиус соты, получим, что d ≈ 9 км.

Рассчитаем площадь SeNB покрытия трехсекторного сайта по формуле:

                                                                                      (5.7)

.2 Частотно-территориальное деление и ситуационное расположение eNB на территории …… района

Основным этапом проектирования сетей подвижной радиосвязи абонентского доступа является этап частотно-территориального планирования, в ходе которого выбирается структура сети, места размещения базовых станций, разрабатывается план распределения радиоканалов для базовых станций, выполняется адаптация планов к условиям территориальных и частотных ограничений планируемой зоны обслуживания.

В первую очередь, нужно составить ситуационный план размещения базовых станций eNB на территории района планирования сети. Целью проектирования не является полный радиоохват территории района. Главное в данном проекте - это обеспечение устойчивым радиосигналом густонаселенных сельских районов. Исходя их этого условия, а так же учитывая особенности рельефа местности, выполним размещение базовых станций. Ситуационный план размещения eNB показан на рисунке 5.2.

Минимальное количество базовых станций eNB, необходимых для обеспечения устойчивым радиосигналом густонаселенных районов на территории планирования составляет 7 штук. Таким образом, строится сеть, все eNB которой имеют следующие характеристики:

·        мощность каждого предатчика - 40 Вт;

·        высота подвеса антенны - 72 метра;

·        число приемопередатчиков TRX - 3 (по одному на каждый сектор);

·        системная полоса для одного сектора - 20 МГц (10 МГц для линии «вверх» и 10 МГц для линии «вниз»);

·        линия «вниз» поддерживает технологию MIMO 4×2;

·        пропускная способность: линия «вниз» - 102,9 Мбит/с, линия «вверх» - 54,87 Мбит/с.

Составим частотный план. Планируемой сети выделена полоса частот 791-862 МГц, ширина частотного спектра составляет 71 МГц. Каждому сектору eNB нужно выделить 20 МГц. Таким образом, имеющаяся ширина спектра разделится на 3 части по 20 МГц, плюс защитные частотные полосы для избежания перекрытия сигналов разных секторов. Присвоим каждой из трех частей спектра условный номер и результаты составления частотного плана сведем в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Частотный план сети LTE в ….. районе

После введения данной сети LTE в эксплуатацию, наступает этап оптимизации сети, в ходе которого может происходить корректирование выполненного планирования, а именно: увеличение пропускной способности сети, изменение высоты подвеса радиомодулей, понижение или повышение излучаемой мощности радиомодулей.

6. ПРОЕКТИРУЕМАЯ СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ СЕТИ LTE В ВОТКИНСКОМ РАЙОНЕ [7, 17, 18, 19]

Согласно рассчитанной емкости сети, информационной нагрузке о определению зон радиопокрытия, для организации широкополосного доступа по технологии LTE в ….. районе потребуется 7 базовых станций. Пропускная способность каждой eNB на начальном этапе функционирования сети составит 158 Мбит/с, а всей сети LTE в ….. районе 1,106 Гбит/с. После запуска сети в работу наступает этап оптимизации сети, в ходе которого пропускная способность базовых станций может быть увеличена способом размещения дополнительных радиомодулей «Flaxi Multiradio» компании «Nokia Siemens Network».

Каждая базовая станция отдает трафик коммутатору «Cisco ME 3600 X 24 CX» посредством оптоволоконной линии передачи по стандарту «Gigabit Ethernet 1000 BASE-LX» (IEEE 802.3z). К коммутатору «Cisco ME 3600 X 24 CX» имеется возможность подключения до 3 базовых станций. Коммутатор «Cisco ME 3600 X 24 CX» размещается непосредственно в помещении для размещения оборудования базовой станции.

От коммутаторов «Cisco ME 3600 X 24 CX» сетевой трафик направляется к маршрутизатору «Cisco 7603 OSR», который размещается на одном из объектов связи компании ОАО «Ростелеком» в г……. Соединение между «Cisco ME 3600 X 24 CX» и «Cisco 7603 OSR» осуществляется с помощью оптоволоконной линии передачи по стандарту «Gigabit Ethernet 1000 BASE-LX» (IEEE 802.3z).

Далее сетевой трафик направляется к сети EPC LTE, которая реализована с помощью мультисервисной платформы «Cisco ASR 5000 PCS3» и размещается в г. …. на одном из объектов связи компании ОАО «Ростелеком».

Соединение между маршрутизатором «Cisco 7603 OSR» и платформой «Cisco ASR 5000 PCS3» осуществляется с помощью оптоволоконной линии связи по стандарту «10 Gigabit Ethernet 10 BASE-ER» (IEEE 802.3ae). Сеть EPC LTE управляет сетью, организует абонентские сессии, управляет услугами, осуществляет тарификацию и соединяется через определенные интерфейсы и шлюзы с внешними сетями: 2G, 3G, не-3GPP, Intrnet, ISDN, IMT.

Краткое описание стандартов Ethernet, использующихся в организации связи проектируемой сети:

·        1000 BASE-LX - стандарт, использующий одномодовое оптическое волокно; дальность прохождения сигнала без повторителя зависит от типа используемых приемопередатчиков и составляет от 5 до 60 км. Скорость передачи данных до 1 Гбит/с;

·        10 GBASE-ER - стандарт, использующий одномодовое оптическое волокно; дальность прохождения сигнала до 50 км. Скорость передачи данных до 10 Гбит/с.

Весь сетевой трафик предается по IP-протоколу.

Проектируемая схема организации связи сети LTE в …… районе представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1- Проектируемая схема организации связи сети LTE в …………. районе

7. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА [8, 13]

7.1 Электромагнитные излучения, их воздействие на организм человека и принципы гигиенического нормирования и защиты

Среди различных физических факторов окружающей среды, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека и биологические объекты, большую сложность представляют электромагнитные поля неионизирующей природы, особенно относящиеся к радиочастотному излучению.

Электромагнитные поля - это особая форма существования материи, характеризующаяся совокупностью электрических и магнитных свойств. Основными параметрами, характеризующими электромагнитное поле, являются: частота, длина волны и скорость распространения.

Природные источники электромагнитных полей делят на две группы. Первая - поле Земли - постоянное электрическое и постоянное магнитное поле. Вторая группа - радиоволны, генерируемые космическими источниками (Солнце, звезды и т.д.), атмосферные процессы - разряды молний и т.д.

Естественное электрическое поле Земли создается избыточным отрицательным зарядом на поверхности; его напряженность обычно от 100 до 500 В/м. Грозовые облака могут увеличивать напряженность поля до десятков, а то и сотен кВ/м.

Антропогенные источники делятся на 2 группы:

1.      Источники низкочастотных излучений (0 - 3 кГц). Эта группа включает в себя все системы производства, передачи и распределения электроэнергии (линии электропередачи, трансформаторные подстанции, электростанции, различные кабельные системы), домашнюю и офисную электро- и электронную технику, в том числе и мониторы ПК, транспорт на электроприводе, ж/д транспорт и его инфраструктуру, а также метро, троллейбусный и трамвайный транспорт.

.        Источники высокочастотных излучений (от 3 кГц до 300 ГГц). К этой группе относятся функциональные передатчики - источники электромагнитного поля в целях передачи или получения информации. Это коммерческие передатчики (радио, телевидение), радиотелефоны (авто-, радиотелефоны, радио СВ, любительские радиопередатчики, производственные радиотелефоны), направленная радиосвязь (спутниковая радиосвязь, наземные релейные станции), навигация (воздушное сообщение, судоходство, радиоточка), локаторы (воздушное сообщение, судоходство, транспортные локаторы, контроль за воздушным транспортом). Сюда же относится различное технологическое оборудование, использующее СВЧ-излучение, переменные (50 Гц - 1 МГц) и импульсные поля, бытовое оборудование (СВЧ-печи), средства визуального отображения информации на электронно-лучевых трубках (мониторы ПК, телевизоры и пр.).