Контрольная работа по «Проектирование цифровых систем»

У лінії «вгору» мережі LTE E-UTRAN використовуються три фізичних і два транспортних каналів:

PRACH (Physical Random Access Channel) - фізичний  канал довільного доступу;

PUCCH (Physical Uplink Control Channel) - фізичний  канал управління «вгору»;

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) - фізичний  розподільний транспортний канал  лінії «вгору»;

RACH (Random Access Channel) - транспортний  канал випадкового доступу;

UL-SCH (Uplink Shared Channel) - суміщений  канал лінії «вгору».

 

1.5 Радіочастотний спектр  технології LTE

 

Робочими групами Партнерського проекту 3GPP і ETSI в технічних специфікаціях для LTE визначені 17 смуг радіочастот для режиму частотного дуплексу FDD і 8 смуг для режиму тимчасового дуплексу TDD, які показані в таблиці 1.1.

 

 

 

 

Таблиця 1.1-Діапазони частот для мережі радіодоступу E-UTRAN

Номера робочих діапазонів	Діапазон частот, МГц		Вид дуплекса
	Лінія «вгору» (UL)	Лінія «вниз» (DL)
1	1920 - 1980	2110 - 2170	FDD
2	1850 – 1910	1930 – 1990	FDD
3	1710 – 1785	1805 – 1880	FDD
4	1710 – 1755	2110 – 2155	FDD
5	824 – 849	869 – 894	FDD
6	830 – 840	875 – 885	FDD
7	2500 – 2570	2620 – 2690	FDD
8	880 – 915	925 – 960	FDD
9	1749,9 – 1784,9	1844,9 – 1879,9	FDD
10	1710 – 1770	2110 – 2170	FDD
11	1427,9 – 1452,9	1475 – 1500,9	FDD
12	698 – 716	728 – 746	FDD
13	777 – 787	746 – 756	FDD
14	788 – 798	758 – 768	FDD
17	704 – 716	734 – 746	FDD
18	815 – 830	860 – 875	FDD
19	830 – 845	875 – 890	FDD
33	1900 – 1920		TDD
34	2010 – 2025		TDD
35	1850 – 1910		TDD
36	1930 – 1990		TDD
37	1910 – 1930		TDD
38	2570 – 2620		TDD
39	1880 – 1920		TDD
40	2300 – 2400		TDD

 

З таблиці видно, що діапазони, призначені для розвитку мереж LTE, вже освоєні або освоюються в Україні для роботи мереж мобільного зв'язку та безпроводового доступу різних технологій. Тому, створення в Україні LTE-мереж супроводжується труднощами з вибором і отриманням дозволу на використання частотного діапазону.

 

1.6 Взаємодія стандарту LTE з UMTS / GSM і стандартів не-3GPP

 

Підтримка мобільності абонентського терміналу при його переміщенні із зони обслуговування однієї мережі в зону обслуговування іншої - є важливим завданням, що виникає при взаємодії мережі LTE з мережами мобільного зв'язку стандартів 3GPP (UMTS / GSM / HSPA +). Взаємодія мережі LTE з мережами 3GPP полягає в забезпеченні дискретної мобільності (роумінгу) і забезпечення безперервної мобільного зв'язку (хендовера).

Основними інтерфейсами взаємодії мережі LTE з мережами 3GPP є інтерфейси S3, S4 і S12. Дані інтерфейси забезпечують взаємодію логічного елемента управління мобільністю MME і шлюзу S-GW мережі LTE з сервісним вузлом SGSN мереж 3G за допомогою тунельного протоколу GTP (GPRS Tunnelling Protoсol). Протокол GTP призначений для передачі даних площині управління (протокол GTP-C) і для передачі даних площині користувача (протокол GTP-U). В умовах роумінгу шлюз S-GW візитною мережі взаємодіє з шлюзом P-GW (шлюз взаємодії з пакетними мережами) домашньої мережі.

Взаємодія мережі LTE з іншими 3GPP для надання традиційних послуг телефонії здійснюється за допомогою як традиційної технології комутації каналів (TDM), так і технології комутації пакетів на базі сервісної підсистеми IMS.

Хендовер між мережею LTE і іншою мережею 3GPP при здійсненні голосового виклику відбувається за допомогою взаємодії логічного елемента MME з сервером MSC по інтерфейсу Sv у разі викликів з мережі LTE в традиційний домен комутації каналів (CS-домен); і за допомогою взаємодії логічного елемента MME з вузлом SGSN по інтерфейсу S3 у випадку голосового виклику з мережі LTE в домен комутації пакетів (PS-домен).

Взаємодія мережі LTE з тенетами не-3GPP поділяється на взаємодію з мережами з гарантованою безпекою - «надійними» і взаємодія з мережами з негарантованої безпекою - «ненадійними». У якості «надійних» мереж можуть виступати приєднані мережі інших стандартів (cdma2000, WiMAX), в якості «ненадійних» - публічні IP-мережі Інтернету. Взаємодія мережі LTE з «надійними» мережами стандартів не-3GPP здійснюється за допомогою шлюзу P-GW, взаємодія з «ненадійними» мережами - за допомогою шлюзу ePDG.

 

1.7 Використання технології MIMO в мережах LTE

 

Технологія MIMO в мережах LTE грає одну з важливих ролей у забезпеченні високих швидкостей передачі даних.

MIMO (Multiple Input Multiple Output - множинний  вхід - множинний вихід) - технологія, яка представляє собою беспровідний доступ, що передбачає використання декількох передавачів і приймачів для одночасної передачі більшої кількості даних. Технологія MIMO використовує ефект передачі радіохвиль, багатопроменевим поширенням, коли передані сигнали відбиваються від безлічі об'єктів і перешкод і приймаюча антена сприймає сигнали під різними кутами і в різний час. Із застосуванням технології MIMO стає можливим збільшити завадостійкість каналів зв'язку, зменшити відносне число бітів, прийнятих з помилкою. Робота систем MIMO може бути організована за двома принципами: за принципом просторового ущільнення і за принципом просторово-часового кодування.

У першому випадку різні передавальні антени передають різні частини блоку інформаційних символів або різні інформаційні блоки. Передача даних ведеться паралельно з двох або з чотирьох антен. На приймальній стороні проводиться прийом і розподіл сигналів різних антен. У другому випадку, з усіх передавальних антен здійснюється передача одного і того ж потоку даних з використанням схем попереднього кодування.

Антенні конфігурації технології MIMO можуть брати симетричні (2 Ч 2, 4 Ч 4) і несиметричні (1 Ч 2, 2 Ч 4) значення. На малюнку 1.5 показана структурна схема MIMO-системи з двома передавальними і двома приймаючими антенами, реалізована за принципом просторово-часового кодування.

Рисунок 1.5 Структурная схема MIMO-системы 2Ч2

 

Спектр послуг, що надаються мережами LTE

Послуги, що надаються мережами LTE, мають більш широкий спектр порівняно з мережами 2G/3G. У першу чергу це пов'язано з високою пропускною здатністю мережі і підвищеною швидкістю передачі даних, а так само з переходом на концепцію «все через IP». Основними послугами, що надаються мережею LTE є наступні:

- пакетна передача мови;

- передача Інтернет-файлів;

- доставка електронної пошти;

- передача мультимедійних повідомлень;

- мультимедійне мовлення, що включає в себе потокові послуги, послуги із завантаження файлів, телевізійні послуги;

- потокове відео;

- VoIP і високоякісні відеоконференції;

- онлайн-ігри через мобільні і фіксовані термінали різних типів;

- мобільні платежі з високою передачею реквізитів та ідентифікаційної інформації.

 

2. Завдання №2

 

2.1 Техніко-економічне обгрунтування побудови мережі LTE

 

При плануванні мережі LTE, в першу чергу, необхідно визначити яким чином будуть реалізовані рішення побудови транспортної мережі та мережі радіодоступу E-UTRAN. Прикладом побудови мережі LTE може служити схема, показана на малюнку 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Архитектура распределительной сети LTE

 

Для порівняння виберемо три основні варіанти організації зв'язку:

1. Побудова мережі LTE «з чистого аркуша». У цьому випадку компанія-оператор зв'язку здійснює будівництво повністю всіх об'єктів зв'язку, які будуть включені в мережу LTE.

2. Побудова мережі LTE способом оренди всіх компонентів зв'язку у сторонніх операторів, за винятком обладнання базових станцій.

Орендованими об'єктами будуть: вишки для базових станцій і всі компоненти транспортної мережі.

3. Побудова мережі LTE універсальним способом. Цей варіант включає в себе обидва способи побудови мережі, наведені вище.

Припустимо, що оператором зв'язку, що здійснює проектування мережі LTE є компанія, яка вже займається наданням послуг фіксованого зв'язку і має розвинену транспортну мережу в районі планування. Такою компанією-оператором в Росії може виступати ВАТ «Ростелеком». У цьому випадку ідеально підходить універсальний спосіб побудови мережі LTE.

З урахуванням зібраних даних про наявність існуючих ліній транспортної мережі компанії ВАТ «Ростелеком» основні витрати на побудову мережі для різних варіантів організації зв'язку представлені в таблиці 2.1.

 

Таблиця 2.1 - Основні витрати на побудову мережі LTE для різних варіантів організації зв'язку

Вариант организации связи	1	2	3
Затраты на строительство ВОЛС
а) протяженность линии	~75 км	~75 км	~50 км
б) стоимость ОКБ	45000 руб./км 45000Ч75 = 3,375 млн. руб.	Стоимость аренды: 28000 руб./мес./10 км	45000 руб./км 45000Ч50 = 2,25 млн. руб.
в) стоимость СМР	300000 руб./км 300000Ч75 = 22,5 млн. руб.	-	300000 руб./км 300000Ч50 = 15 млн. руб.
Итого	25,875 млн. руб.	2,688 млн.руб./год	15 млн. руб.
Затраты на строительство сети радиодоступа E-UTRA
а) примерное количество eNB в сети	7	7	7
б) стоимость eNB	~0,45 млн. руб. 1,35Ч7 = 9,45 млн. руб.	~0,45 млн. руб. 1,35Ч7 = 9,45 млн. руб.	~0,45 млн. руб. 1,35Ч7 = 9,45 млн. руб.
в) стоимость вышки для базовой станции	~1,8 млн. руб. 1,8Ч7 = 12,6 млн. руб.	Аренда 1 места подвеса: 0,3 млн. руб./год 0,3Ч7 = 2,1 млн. руб.	Аренда 1 места подвеса: 0,3 млн. руб./год 0,3Ч7 = 2,1 млн. руб.
Итого	23,45 млн. руб.	2,1 млн.руб./год + 9,45 млн. руб.	2,1 млн.руб./год + 9,45 млн. руб.
Общая стоимость	49,5 млн. руб.	Аренда: 4,8 млн. руб./год +стоимость eNB 9,45 млн. руб.	Аренда: 2,1 млн. руб./год + 24,45 млн. руб.

 

З таблиці 2.1 видно, що третій варіант має перевагу над іншими в плані економії.

 

2.2 Розрахунок пропускної  здатності мережі, Розрахунок кількості  потенційних абонентів, вибір обладнання транспортної мережі

 

У процесі планування радіомереж LTE є ряд відмінностей від процесу планування інших технологій бездротового радіодоступу. Головна відмінність - це використання нового типу многостанционного доступу на базі технології OFDM, у зв'язку з чим з'являються нові поняття і змінюються алгоритми проектування. Процес планування радіомережі складається з двох етапів:

- формування максимальної площі покриття;

- забезпечення необхідної ємності.

Планування радіомережі LTE буде проводитися в сільській місцевості, а це означає, що щільність абонентів буде невисока і базові станції повинні встановлюватися на максимальному віддаленні один від одного з метою закрити кожною eNB якомога більшу територію. У зв'язку з цим потрібно підібрати відповідний частотний діапазон. У даному випадку потрібно керуватися правилом, що чим нижче частота, тим далі поширення радіосигналу. Частотний діапазон 791 - 862 МГц цілком підійде для виконання цього завдання. Тип дуплексу виберемо частотний - FDD.

 

2.2.1 Розрахунок пропускної  здатності мережі. Розрахунок кількості  потенційних абонентів

Пропускну здатність, або ємність, мережі оцінюють, базуючись на середніх значеннях спектральної ефективності соти в певних умовах.

Спектральна ефективність систем мобільного зв'язку представляє собою показник, що обчислюється як відношення швидкості передачі даних на 1 Гц використовуваної смуги частот (біт / с / Гц). Спектральна ефективність є показником ефективності використання частотного ресурсу, а також характеризує швидкість передачі інформації в заданій смузі частот.

Спектральна ефективність може розраховуватися як відношення швидкості передачі даних всіх абонентів мережі в певній географічній області (соті, зоні) на 1 Гц смуги частот (біт / с / Гц / стільник), а також як відношення максимальної пропускної здатності мережі до ширини смуги одного частотного каналу.

Середня спектральна ефективність для мережі LTE, ширина смуги частот якої дорівнює 20 МГц, для частотного типу дуплексу FDD на підставі 3GPP Release 9 для різних конфігурацій MIMO, представлена ​​в таблиці 2.2.

 

Таблиця 2.2 - Середня спектральна ефективність для мережі LTE

Лінія	Схема MIMO	Середня спектральна ефективність (бит/с/Гц)
UL	1Ч2 1Ч4	1,254 1,829
DL	2Ч2 4Ч2 4Ч4	2,93 3,43 4,48