Оценка пропускной способности сети стандарта LTE

 1. Параметры, влияющие на скорость стандарта LTE и способы их оценки

 

Скорости, которые может обеспечить технология LTE в нисходящем и восходящем каналах (от базовой станции к мобильному устройству и обратно), зависят от множества важных параметров – метод дуплексирования каналов, имеющийся диапазон частот, вид модуляции поднесущих, метод помехоустойчивого кодирования данных, использования технологий MIMO, затраты ресурсов на управление, длительность циклических префиксов и другие.[1]

Предварительные оценки параметров планируемой сети стандарта LTE могут производиться в трех сценариях, как показано на рис.1: отдельное соединение (Single-Downlink, отдельная сота со многими пользователями (Single-Cell Multi-User), много сот со многими пользователями (Multi-Cell Multi-User);

 Сценарии для оценки параметров планируемой сети LTE

Рис. 1. Сценарии для оценки параметров планируемой сети стандарта LTE

Single-Downlink- сценарий, в котором оценивается только одно нисходящее соедине­ние между базовой станцией и абонентским оборудованием одного пользователя. С точки зрения планирования позволяет исследовать параметры служебных и пользовательских каналов, а также эффективность алгоритмов MIMO.

Single-Cell Multi-User - сценарий, в котором оцениваются соединения с потенциально активными пользователями в пределах одной соты. Позволяет дополнительно исследовать параметры радиосети с учетом внутрисотовой загрузки и процедур планирования радио ресурсов, а также эффективность многопользовательских режимов MIMO.

Multi-Cell Multi-User - сценарий, в котором оцениваются основные параметры все сети. Позволяет исследовать все параметры реальной радиосети с учетом внутрисистемных помех от смежных сот.[2]

 

2. OFDMA и SC-FDMA

Принципиально новым решением для радиоинтерфейса LTE стало использование новых методов множественного доступа – OFDMA в нисходящем канале (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) и SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) – в восходящем. Важно, что весь имеющийся спектр разбивается на ортогональные поднесущие по 15 кГц (в нисходящем канале), каждая из которых в свою очередь модулируется определенным видом модуляции (от QPSK до QAM64). 12 поднесущих – минимальная полоса, выделяемая для одного абонента. Использование многопозиционных методов модуляции требует каналов с высоким уровнем отношения сигнал/шум, ухудшение же радиоусловий приведет к снижению порядка модуляции, а, соответственно, и скорости передачи данных. Таким образом, при плохих радиоусловиях максимальные скорости передачи данных в нисходящем канале можно смело разделить на 3 (при QPSK одновременно передаются 2 бита информации, при QAM64 – 6 бит).

Помимо порядка модуляции важно принимать во внимание и схему помехоустойчивого кодирования. Например, кодирование со скоростью ½ еще в 2 раза снижает скорости передачи данных.[1,3]

 

3. Масштабируемость

Важнейшей особенностью сетей LTE является масштабируемость занимаемого ими частотного спектра от 1.4 до 20МГц (возможные полосы - 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц), которая способствует быстрому внедрению технологии в условиях ограниченности радиоресурсов. Очевидно, что, чем шире полоса, тем больше будут скорости. Ниже в таблице 1 приведены соотношения между шириной полосы и количеством поднесущих и ресурсных блоков (ресурсный блок – это 12 поднесущих в частотной области и один тайм-слот или 7 OFDM-символов во временной области).

Таблица 1. Соотношение между шириной полосы частот и числом ресурсных блоков

Полоса, МГц

1.4

3

5

10

15

20

Число поднесущих

72

180

300

600

900

1200

Число ресурсных блоков

6

15

25

50

75

100

 

4. MIMO

Немаловажным фактором при оценке возможностей LTE является применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output). Существуют несколько вариантов применения MIMO – для увеличения абонентской емкости, при этом с разных антенн передается различная информация, и для улучшения покрытия. В последнем случае с нескольких антенн передается одна и та же информация, что позволяет абонентскому устройству комбинировать сигнал с разных антенн, улучшая его качество. Как правило,

для увеличения абонентской емкости, операторы используют первую опцию MIMO. В этом случае использование MIMO 2х2 (NMIMO=2 – порядок MIMO) приведет к увеличению скорости передачи данных в нисходящем канале вдвое. Однако реализация такой схемы потребует дополнительные частотно-временные ресурсы для передачи опорных пилот-сигналов антенн.[1]

 

5. Каналы управления

 Информация, передаваемая на радиоинтерфейсе, делится на служебную информацию, которая транслируется по различным каналам управления, и на пользовательские данные канала PDSCH (Physical Downlink Shared Channel).

Радиоинтерфейс LTE поддерживает как частотное, так и временное дуплексирование восходящего и нисходящего каналов (FDD и TDD), что позволяет разворачивать сети даже при отсутствии спаренных диапазонов. Так как большинство операторов, запустивших LTE, имеют спаренные полосы частот, то в рамках данной статьи рассмотрим особенности именно FDD режима, его структуру кадра и соотношение между пользовательскими и служебными ресурсами.

Структура кадра LTE в режиме FDD. Физические каналы LTE. 

Рис. 2. Структура кадра LTE в режиме FDD. Физические каналы LTE

FDD-кадр LTE состоит из десяти субкадров по 1 мс (NSFR=10). Каждый субкадр состоит из двух слотов, внутри которых может быть в зависимости от времени распространения (радиуса соты) либо 6 либо 7 OFDM-символов или ресурсных элементов. На рис. 2 показан случай с небольшим временем распространения (коротким циклическим префиксом, занимающим один OFDM-символ) и соответственно 7 символов в слоте.

Для синхронизации абонентов с сетью в первом субкадре каждого кадра по каналам первичной и вторичной синхронизации (PSS и SSS) передаются специальные последовательности. Они занимают 72 поднесущих (с учетом неиспользуемых ресурсных элементов по краям диапазона) – 72 OFDM-символа. В табл. 2. приводится описание физических каналов управления с указанием объема затрачиваемых на них частотно-временных ресурсов. NRB – число ресурсных блоков.

Таблица 2. Назначение основных каналов управления и объем затрачиваемых на них ресурсов [1,2]

Физические каналы в нисходящем направлении

Назначение

Объем затрачиваемых частотно-временных ресурсов, РЭ/кадр (ресурсный элемент)

PSS – Primary Synchronization Channel

Определение физического идентификатора соты

72

SSS – Primary Synchronization Channel

Определение номера группы идентификатора соты

72

PBCH – Physical Broadcast Channel

В этом канале передается информация о ширине занимаемой полосы, номер кадра, а также конфигурация PHICH

72*4=288

PDCCH – Physical Downlink Control Channel

Основной канал служебной информации. По нему передается большая часть системной информации, данные о распределении ресурсов нисходящего и восходящего каналов между абонентами и т.д.

От NSFR* NRB*12 (min)-NPCFICH-NPHICH до NSFR* NRB*12*3 (max)-NPCFICH-NPHICH

RS – Reference Signal

Пилот сигнал. При использовании MIMO каждая антенна передает свои пилот-сигналы

NSFR* NRB*4* NMIMO

PCFICH – Physical Control Format Indicator Channel

Указывает, сколько OFDM-символов занимает PDCCH (от 1 до 3)

12

PHICH – Physical HARQ Indicator Channel

Передает информацию HARQ

12

 

6. Пример оценки пропускной способности

Для того чтобы оценить скорости передачи данных в нисходящем канале (downlink), сначала вычисляем, сколько ресурсных элементов (или OFDM-символов) передается в милисекундном кадре в зависимости от имеющейся полосы частот. Если время распространения невелико (используется короткий циклический префикс), то в одном субкадре на одной поднесущей передается 14 OFDM-символов. Таким образом, число OFDM-символов в кадре будет равно 10∙14∙12NRB (NRB – см.табл.1, 10 – число субкадров в кадре, 12 – число поднесущих в ресурсном блоке).

Далее из общего числа символов, необходимо отнять число символов, выделенных под каналы управления. Рассмотрим пример со следующими исходными данными: FDD-режим, 1.4 МГц – ширина имеющейся полосы частот, нагрузка достаточно высока.

Всего ресурсных элементов – 10∙14∙12∙6=10080

Из них:

72 – под PSS

72 – под SSS

 288 – под PBCH

 10∙6∙12∙3=2160 – под PDCCH, PCFICH, PHICH и часть RS

348 – оставшаяся часть опорных сигналов RS (если без MIMO, при использовании же MIMO2x2 это число удвоится)

Итого: 2940 OFDM-символов из 10080 занято служебными каналами – 29% частотно-временного ресурса (“КПД”=71%).

На рисунке 3 приводятся зависимости затрат ресурсов на служебные каналы от ширины диапазона частот.

Затраты частотно-временных ресурсов нисходящего канала LTE на передачу информации каналов управления (без MIMO)  

Рис. 3. Затраты частотно-временных ресурсов нисходящего канала LTE на передачу информации каналов управления (без MIMO)

 

Следующий шаг – отбросив служебные символы, можно также смело отбросить еще 1/14 от их количества, занимаемою циклическим префиксом, который не несет в себе полезной информации. Оставшиеся информационные необходимо домножить на количество бит, которые они могут содержать. Число бит в символе будет определяться способом модуляции поднесущих – 2, 4 и 6 бит соответственно для QPSK, QAM16 и QAM64.

Далее необходимо учесть влияние помехоустойчивого кодирования. При скорости кодирования, например, ½ половина от полученного числа бит уйдет на избыточность.

Использование MIMO увеличивает скорость в кратное число раз. Это самые основные особенности, которые необходимо учитывать при оценке скорости. Выполнив подобные расчеты, несложно получить скорости передачи данных в нисходящем канале, приведенные ниже в таблицах 3 и 4.[1]

Таблица 3. Скорости передачи данных в нисходящем канале LTE при низкой нагрузке на сеть

Схема модуляции и кодирования

1,4 МГц

3 МГц

5 МГц

10 МГц

15 МГц

20 МГц

QPSK 1/2

0,8

2,1

3,5

6,9

10,4

13,9

QPSK 3/4

1,2

3,1

5,2

10,4

15,6

20,9

QPSK

1,6

4,1

7,0

13,9

20,8

27,8

QAM16 1/2

1,6

4,1

7,0

13,9

20,8

27,8

QAM16 3/4

2,6

6,2

10,5

20,8

31,3

41,7

QAM16

3,2

8,2

13,9

27,7

41,7

55,6

QAM64 3/4

3,6

9,2

15,7

28,7

46,9

62,6

QAM64

4,8

12,3

20,1

41,6

62,5

83,4

QAM 64 MIMO 2x2

9,2

23,7

39,7

79,9

120,2

160,4

 

Таблица 4. Скорости передачи данных в нисходящем канале LTE при высокой нагрузке на сеть

Схема модуляции и кодирования

1,4 МГц

3 МГц

5 МГц

10 МГц

15 МГц

20 МГц

QPSK 1/2

0,7

1,7

2,9

5,8

8,7

11,7

QPSK 3/4

1,0

2,6

4,3

8,7

13,1

17,5

QPSK

1,3

3,4

5,8

11,6

17,5

23,4

QAM16 1/2

1,3

3,4

5,8

11,6

17,5

23,4

QAM16 3/4

1,8

5,2

8,7

17,5

26,2

35,0

QAM16

2,7

6,7

11,6

23,3

35,0

46,7

QAM64 3/4

3,0

7,7

13,0

26,2

39,4

52,6

QAM64

4,0

10,3

17,3

34,9

52,5

70,1

QAM 64 MIMO 2x2

7,6

19,6

33,1

66,6

100,1

133,7

 

Материал подготовил Девяткин Денис

 


Список использованных источников.

 

  1.  «Оценка пропускной способности сетей LTE», к.т.н. Дроздова В.Г., асп. Белов М.А. ФГОБУ ВПО «Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики».
  2.  «Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика», Скрынников В.Г., Издательство: Спорт и Культура - 2000, 2012г., 864 с.
  3.  Основная серия спецификаций на радиоподсистему LTE http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm 

 

Читайте также:

 

Определение пространственных параметров сети стандарта LTE

Качественные показатели и их обеспечение в сетях LTE

Многоантенные технологии (MIMO) в LTE

Гетерогенные сети: Ключевые технологии HetNet и сценарии развертывания

Яндекс.Метрика