Подробности

Родительская категория: LTE

Категория: Планирование сетей LTE

Оценка пропускной способности сети стандарта LTE

 

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);

 

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]

 

 

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]

 

Масштабируемость ширины частотного канала в LTE

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

 

MIMO в LTE

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]

 

Каналы управления в LTE

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.

 

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]

 

Пример оценки пропускной способности в LTE

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∙12∙NRB (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.

  

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 (downlink) LTE при низкой нагрузке на сеть

 

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

 

Подробнее о технологиях мобильной связи LTE, LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro, 5G, NB-IoT и других читайте в новой книге "Мобильная связь на пути к 6G".

 

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
4. А.Н. Степутин, А.Д. Николаев. Мобильная связь на пути к 6G. В 2 томах. – 2-е изд. - Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. – 804с. : ил. 

 

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