Частотное планирование

Подробности

Родительская категория: LTE

Категория: Планирование сетей LTE

 Частотное планирование

 1.  Частотный спектр для сетей LTE

На сегодняшний день большая часть сетей LTE работает в парном спектре в режиме FDD (Frequency Division Duplex) - частотный разнос входящего и исходящего канала, при котором прием и передача сигнала происходят на разных частотах), но интерес к сетям LTE TDD продолжает расти –так, все больше стран, внедряющих технологию LTE, которые поддерживают режим TDD (Time Division Duplex) - прием и передачи сигнала происходят на одной частоте, но с разделением по времени. Технология лучше всего подходит для приложений, имеющих несимметричный трафик.

Всего под технологию LTE выделено более 40 диапазонов частот (bands), при этом использование спектра для LTE имеет региональные особенности. Например, в США наиболее популярными являются диапазоны 700 МГц (в основном, band 13 и band 17) и AWS (AWS band (Advanced Wireless Services band) – парные частоты в диапазонах 1710-1755 МГц (передача) и 2110-2155 МГц (прием))(1,7/2,1 ГГц), в Европе – диапазоны 1800 МГц (band 3) и 2600 МГц (band 7), в перспективе – 800 МГц (band 20). В Японии первые запуски LTE состоялись в диапазоне 800/850 МГц; 1,5 ГГц; 1,7 ГГц и 2,1 ГГц (в зависимости от оператора); также был выделен диапазон 700 МГц (APT700) для запуска будущих сетей LTE.

Большой интерес в мире связан с рефармингом частот GSM для их использования в сетях LTE. В особенности это касается диапазона 1800 МГц, а в некоторых случаях – 900 МГц. При этом большинство регуляторов одобряет технологически нейтральный подход, при котором операторы могут использовать имеющиеся у них частоты вне зависимости от конкретной технологии.

В целом, наиболее распространенным в мире диапазоном остается 1800 МГц (band 3) – его используют 43% коммерческих сетей LTE FDD. Следующие по популярности диапазоны – это 2,6 ГГц (band 7) и 800 МГц (band 20), в них работают 30% и 12% LTE-сетей, соответственно.

  

Рис.1. Наиболее популярные используемые частоты в сетях LTE (данные на 2014 год)

 

В условиях дефицита частот для LTE в отрасли поднимается вопрос об использовании дополнительных диапазонов частот. В июле 2013 года Консорциум 3GPP завершил стандартизацию технологии LTE для диапазона 450 МГц, что дает возможность операторам (в том числе в России), имеющим такие частоты, разворачивать сети LTE в этом диапазоне. Использование низких частот при строительстве сетей мобильной связи позволяет существенно экономить на строительстве сетей, поскольку для обеспечения покрытия одной и той же площади требуется значительно меньшее количество базовых станций, чем в случае использования высоких частот (например, 2,6 ГГц). Использование низкочастотных диапазонов (450, 700 и 800 МГц) актуально для покрытия территорий с низкой плотностью населения, где не требуется высокая емкость сетей, достигаемая при использовании высоких частот.

 

 

 2. Частоты для сетей LTE в России

В России по состоянию на конец первого квартала 2014 г. в коммерческую эксплуатацию запущены LTE-сети в 58 субъектах РФ. В подавляющем большинстве регионов сети запущены в парном спектре (LTE FDD) в диапазоне 2600 МГц (band 7), за исключением сетей LTE TDD - МТС в Москве (2600 МГц, band 38) и «Вайнах Телеком» 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 частотным ресурсом - от 70 до 100 МГц, в зависимости от региона.

По итогам конкурса состоявшемся в 2012 года, «Ростелеком», МТС, «МегаФон» 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 пригодным для развития LTE-сетей, а нижний – преимущественно занят силовыми структурами и системами радионавигации и радиолокации и требует проведения конверсии.

 

Рис.2. Основные диапазоны частот для построения сети LTE в России

 

3. Особенности использования верхних и нижних частот для LTE

 

Развитие LTE на частоте 1800 МГц в среднем на 60% экономичнее, чем строительство сетей в  высокочастотных диапазонах. Использование этого диапазона позволяет сократить время  выхода технологии LTE на рынок и ускорить его развитие. В более выгодном положении  окажутся те компании, которые смогут провести рефарминг для нижних частот 800-900 МГц, где развертывание сетей LTE в несколько раз дешевле, чем в диапазонах выше 2 ГГц.

Развертывание сетей в низкочастотной области спектра более привлекательно с точки зрения затрат и оптимально подходит для покрытия районов с низкой плотностью населения (пригороды и сельские районы). Низкие частоты, по сравнению с высокими, обеспечивают  существенно лучшее проникновение внутри зданий и большую площадь покрытия, что, с одной стороны, позволяет обеспечить связью большие территории, а с другой – серьезно ограничивает плотность базовых станций и обостряет проблему внутрисистемной интерференции. 

Высокие частоты отлично подходят для построения систем LTE в регионах с высокой  плотностью населения, где требуются высокие скорости передачи данных. Однако если  работать только в высокочастотном диапазоне, то неизбежно возникают проблемы с  радиопокрытием. Фемтосоты, установленные в местах с высокой концентрацией абонентов (трафика) и в помещениях, помогают уменьшить «теневые» зоны в покрытии. Фемтосоты необходимы для улучшения покрытия сети на первых этажах зданий, в подвальных  помещениях и на складах, а также для решения абонентских проблем, связанных с  перегрузкой сети в часы пик.

Возможность использовать комбинацию из двух диапазонов (высокого и низкого) - залог объемного покрытия и обеспечения необходимой емкости в местах, где трафик особенно востребован. Для улучшения покрытия внутри зданий рекомендуется использовать фемтосоты.[2]

 

4.  Повторное использование частот

Технология LTE в отличие от технологии GSM обеспечивает каждой базовой станции сети возможность выборочно выделять полосы частот и мощность пользователям в зависимости от их расположения в соте.

При этом могут использоваться различные модели повторного использования полос частот и, соответственно, появляется возможность максимизировать пропускную способность соты при выполнении требований к качеству радиосвязи в условиях ограниченных ресурсов базовой станции.

Рассмотрим следующие модели повторного использования полос частот:

•  Полное повторное использование полос частот каналов
•  Жесткое повторное использование полос частот каналов
•  Мягкое повторное использование полос частот каналов
•  Дробное повторное использование полос частот каналов[1]

 

 

4.1. Полное повторное использование полос частот каналов

 

Полным повторным использованием полос частот каналов называют вариант, когда вся полоса частот полностью используется каждой сотой независимо от местоположения абонентов в соте.

 Распределение ресурсных блоков в этом случае осуществляет планировщик базовой станции. Расписание о распределении ресурсов базовая станция сообщает абонентским станциям по специальному управляющему каналу.

При этом возникают проблемы с межсотовой интерференцией, которое требует динамического назначения полос частот. В LTE динамическая координация для уменьшения интерференционной связи между сотами. Поддерживается специфицированной 3GPP сигнализацией между базовыми станциями (X2 интерфейс).

Применение полного повторного использования полос частот нецелесообразно с точки зрения абонентской емкости. Так как растет объем служебной информации, необходимой для динамической диспетчеризации.[1]

 

4.2. Жесткое повторное использование полос частот каналов

Жестким повторным использованием полос частот каналов называют вариант, когда вся полоса частот разделена на фиксированное количество полос, которые выделяются сотам в соответствии с некоторой определенной моделью повторного использования (по аналогии  с GSM).

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот F1 – F3 представлен на рис.4.1.[1]

 

Рис.4.1. Пример построения сот для трех частот

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяющим его параметром является количество используемых в соседних сотах частот. На рис.2.2.1, например, размерность кластера равна трем.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применялся в аналоговых системах сотовой подвижной связи первого поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое «защитным интервалом». Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции назначается набор из т каналов с шириной полосы каждого E, то общая ширина полосы, занимаемая системой сотовой связи, составит:

                                                                                                                              F_c =E*m*C                                                                           (1)

Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании ячеек меньших радиусов имеется возможность увеличения повторяемости частот.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки.

Остановимся более подробно на вопросе выбора размера ячейки (радиуса R), Эти размеры определяют защитный интервал В между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина защитного интервала D, кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одного размера. Размер зоны обслуживания базовой станции, выражаемый через радиус ячейки R, определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование направленных секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Общеизвестный способ повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот. В этом случае используются антенны с шириной диаграммы направленности 120°.[3]

 

 

4.3. Мягкое повторное использование полос частот каналов

Мягким повторным использованием полос частот каналов называют вариант, когда вся полоса частот разделена на фиксированное количество полос.

Для каждой соты одна из этих полос выделена абонентам, находящимся на границе соты, а остальные полосы используются  абонентами, находящимся вблизи базовой станции. Пример мягкого повторного использования частот представлен на рис.4.2.[1]

Рис.4.2. Мягкое повторное использование полос частот каналов

 

 4.4. Дробное (Fractional Frequency Reuse) повторное использование полос частот каналов

 

 

Рис.4.3. Дробное повторное использование полос частот каналов

При дробном повторном использовании полос частот каналов для обслуживания абонентов, которые находятся вблизи базовой станции используется общая полоса частот. Другие возможные полосы используются абонентами удаленными от базовой станции (находящимися на краю соты).[4]

В сетях LTE используют только дробное и мягкое повторное использование полос частот каналов, поскольку данные технологии, при правильном планировании позволяют увеличить емкость сети.

 

Новые подходы в планировании и оптимизации сетей стандарта LTE и гетерогенных сценариев читайте в книге "Мобильная связь на пути к 6G".

 

Материал подготовил Девяткин Денис.

Обновление материала: Портал 1234G.ru

---

Список использованных источников

1. А.Н. Степутин, А.Д. Николаев. Мобильная связь на пути к 6G. В 2 томах. –2-е изд. – Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. – 794 с. : ил.
2. Подходы к планированию и оптимизации сетей LTE, Бабков В.Ю., Санкт-Петербург, СПБГУТ им. проф. Бонч-Бруевича, 2012 г.
3. Сети 4G LTE, J’son & Partners Consulting LTE
4. Информационный портал http://www.radioscanner.ru/info/article102/.
5. Performance Evaluation of Different Fractional Frequency Reuse Schemes for LTE, Giovanni Giambene, Van Anh Le, University of Siena, 2014 г.

 Читайте также:

Определение пространственных параметров сети стандарта LTE

Оценка пропускной способности сети стандарта LTE

Международный Съезд лидеров телекоммуникаций TELECOMTREND. Присоединяйтесь!

Гетерогенные сети: Ключевые технологии HetNet и сценарии развертывания

Принципы построения и функционирования сетей LTE