"Расчет характеристик lte в городе Черкесске"

• Название: "Расчет характеристик lte в городе Черкесске"
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: Kursovaya.docx
• Тип: Курсовая; #520853

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Курсовая работа на тему:

"Расчет характеристик LTE в городе Черкесске"


Выполнил:

студент гр. Ткбд-41

Прокофьев Н.С.

Проверил:

Чилихин Н.Ю.

Ульяновск, 2020

Оглавление

Исходные данные. 3

Территориальноепланирование сети стандарта LTE. 7

Выбор типа кластера 7

Анализ эффективности спроектированной сети подвижной связи стандарта LTE 9

Расчет нагрузки 12

Расчет потерь в уровне сигнала при его распространении 14

Определение параметров базовых станций 19

Выбор пунктов размещения БС 20

Расчет пространственных параметров сети и параметров базовых станций 20

Выбор оборудования 24

Выводы. 27

Исходные данные.

Табл. 1.

Общие характеристики сети

Наименование	Обозначение, единица измерения	Значение характеристики
1	2	3
Стандарт системы	–	LTE
Полоса частот:	Fmin…Fmax, МГц	2570…2620
Количество абонентов	Na, тыс	122804
Площадь территории	S, км2	70
Предполагаемая нагрузка от одного абонента	A1, Эрл	0.25

Табл. 2.

Общие характеристики сети

1	2	3
Допустимая вероятность блокировки	P0, %	0,05
Скорость передачи информации	Binf,Мбит/c	50
Полоса частотного канала, занимаемого системой LTE	Br, МГц	10
Защитное отношение сигнал/помеха в совмещенном канале	А0, дБ	9
Высота базовой станции Высота антенны	hБСmin, м. hАСmin, м.	35 1,5
Среднеквадратическое отклонение флуктуаций сигнала	σ, дБ	8
Параметр логнормального распределения уровней сигнала по местоположению с вероятностью 75%	η(75%)	0,68
Требуемая зона обслуживания	–	Указывается на карте
Местоположение абонентских станций	–	На улицах, в зданиях, в автомобилях
Потери в теле абонента	Wт, дБ	0

Табл. 3.

Общие характеристики сети

1	2	3
Потери на проникновение в автомобили; в здания	Wэ, дБ	8 15
Отношение энергии сигнала на бит к спектральной плотности шума	Eb/N0, дБ	4.0 (для скорости передачи данных – 50 Мбит/c)
Выигрыш за счет корреляционной обработки	G, дБ	6 (для скорости передачи данных –50 Мбит/c)

Табл.4.

Технические характеристики приемо – передающего оборудования для стандарта LTE

Наименование	Обозначение, единица измерения	Значения характеристики станций
Назначение радиостанции	–	базовой	абонентской
Количество приемо - передатчиков	nп, шт	1 – 6	–
Количество секторов	nс, шт	1 – 3	–
Потери в фидере антенны ПРМ	ηфид прм, дБ	0	2
Потери в фидере антенны ПРД	ηфид прд, дБ	2	0
Реальная чувствительность приемника	Pпрм, дБм	–125	–112
Мощность шума	PN, дБм	-105.2	-100.2

Табл. 5.

Технические характеристики антенн радиостанций

Наименование	Обозначение, единица измерения		Значение характеристики
			базовой	абонентской
Максимальный коэффициент (относительно изотропного излучателя) усиления		G0, дБи		18	0
Потери передачи в дуплексном фильтре		ηф, дБ		1.5	–
Коэффициент усилителя тракта приема		КМШУ, дБ		0	10

Территориальноепланирование сети стандарта LTE.

Черкесск - город на юге России. Столица Карачаево-Черкесской Республики. Город республиканоского значения; муниципальное образование города Черкесска обладает статусом округа, с единственным населённым пунктом в в его составе. Является промышленным, экономическим и культурным центром Республики. Население 122804 человека на 2019 год.

Выбор типа кластера

Главным критерием при выборе кластера является выполнение требований по допустимому отношению сигнал/помеха (с/n)_thr в точке приема, прежде всего в его основном канале. Величина (с/n)_thr (защитное, или, пороговое отношение сигнал/помеха) известна, для стандарта LTE составляет 9 дБ.

Для выбора типа кластера необходимо также задать требования к вероятности события, когда отношение сигнал/помеха в точке приема окажется ниже порогового. Эта величина оценивает устойчивость связи при перемещении подвижного абонента в зоне обслуживания сети. Обычно эту вероятность задают на уровне 0,1…0,15. Возьмем ее равной 0,1.

Внутрисистемные помехи в сотовой архитектуре сети подвижной связи создают, прежде всего, базовые станции соседних кластеров, которые работают на повторяющихся частотах. Уровень помех зависит от размерности кластера С, радиуса сот R₀ и расстояния между сотами с повторяющимися частотами D и связан с защитным соотношением q = D/R₀ ≈ (3*C)^0.5.



Рис.1. Фрагмент сети с кластером 9

При обосновании выбора кластера учитываются следующие соображения:

1. 
   Для сот с кругового ДНА (диаграмма направленности антенны) применяют модель повторного использования частот, которая включает семь или девять сот. На рис. 1 показана модель повторного использования частот для размерности кластера С = 9. Однако для типовых схем частотного планирования сетей LTE, использующих круговую ДНА, практически невозможно управление пространственной конфигурацией сот сети, поскольку базовые станции излучают сигнал равномерно во всех направлениях.
   
2. 
   В сотах с секторного ДНА можно управлять пространственной конфигурацией сот с помощью угла наклона антенн и добиться снижения уровня соканальных помех, т.е. помех на совпадающих частотных каналах. В этом случае максимум энергии сигнала излучается в направлении выбранного сектора, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума.
   

Существует достаточно большое количество вариантов схем частотного повторения (кластеров), некоторые из которых приведены в табл.6:

Табл. 6

Данные базовых станций

Вариант конфигурации антенного оборудования	Количество сот в кластере	Количество секторов в соте	Количество частот в секторе	Коэффициент повторения частот (q)
Круговая OMNI	9	–	1	5.19
Круговая OMNI	7	–	1	4.58
Секторная 120 град	3	3	1	3.0
Секторная 60 град	3	6	1	3.0
Секторная 120 град	4	3	1	3.46
Секторная 120 град	4	3	2	3.46

Оптимальным вариантом может служить трехсекторная конфигурация соты для кластера размерностью (4/12) (рис.2).



Рис.2. Фрагмент сети с кластером 4/12

Анализ эффективности спроектированной сети подвижной связи стандарта LTE

Полный анализ эффективности сотовых сетей подвижной связи стандарта LTE состоит из вычисления ряда параметров: K – числа БС, требуемых для обслуживания в городе заданного числа абонентов; R₀, км – радиус соты; P_R, дБВт – мощности обслуживающего один сектор соты передатчика БС, которая приходится на одного абонента.

Исходными для такого анализа служат следующие данные:

• 
  N_а = 62578 – число абонентов, обслуживаемых в сети СПС;
  
• 
  S = 25 – площадь территории, в котором эта сеть развернута;
  
• 
  M= 3 – число секторов в одной соте;
  
• 
  β = 0.25 Эрл – телефонная нагрузка, создаваемая одним абонентом;
  
• 
  P₀ = 0.05 – допустимая вероятность блокировки вызова;
  
• 
  G_БС = 18 дБ – коэффициент усиления антенны БС;
  
• 
  P_МС = - 112 дБВт – чувствительность приемника МС;
  
• 
  A₀ = 9 дБ защитное отношение сигнал/помеха в совмещенном канале;
  
• 
  В_inf = 20 Мбит/c – скорость передачи информации;
  
• 
  В_r = 5 МГц – полоса частотного канала, занимаемая системой LTE
  
• 
  λ = 0.2 – часть мощности передатчика БС
  

Расчёты будем выполнять, используя программно-математический комплекс Mathcad.

Для начала введём в систему все необходимые параметры, которые нам понадобятся в процессе расчёта:


Вычислим допустимую телефонную нагрузку в одном секторе каждой соты:



Найдем число абонентов, обслуживаемых одной БС:

Определим число БС, необходимых для обслуживания заданного количества абонентов:



Вычислим радиус одной соты:

Найдем ту долю мощности передатчика БС, дБм, которая приходится на одного абонента:



,.

Расчет нагрузки

Табл.6

Параметры, используемые при вычислении коэффициента нагрузки

	Содержание параметра	Рекомендуемые значения
N	Число пользователей на ячейку
υJ	Коэффициент активного пользователя на физическом уровне	0.67 – для речи, предполагаемая 50% - ная речевая активность и дополнительные затраты на режим прерывистой речи DTX; 1.0 – для передачи данных
W	Скорость манипуляции	3.84 Мчип/c
RJ	Битовая скорость j – того пользователя	зависит от вида услуги
i	Отношение уровня помех от другой ячейки к уровню помех в собственной ячейке на входе приемника базовой станции	0.4 – 0.9 в зависимости от условий 0.55 – для макросоты
α	Коэффициент ортогональности кода j – того канала (абонента) зависит от многолучевности в канале	0.6 – для соединения с подвижным средством; 0.9 – для соединения с пешеходом
iJ	Отношение мощности излучения БС соседних ячеек к мощности излучения БС собственной ячейки на входе приемника j – того абонента	среднее значение i= 0.55 – для макросоты

Ключевым этапом при оценке зоны покрытия соты является определение объема поддерживаемого трафика в ней. В качестве количественного показателя загрузки сети (соты) может быть использован коэффициент нагрузки, который для низходящего канала имеет вид:
Введём параметры в расчётную систему все необходимые параметры:
Рассчитаем коэффициент нагрузки:



При увеличении коэффициента нагрузки суммарная скорость передачи данных в канале от нескольких абонентских терминалов увеличивается, а следовательно, сеть начинает реализовывать свою потенциальную нагрузочную емкость, которая характеризуется максимальной скоростью передачи данных в канале.

Расчет потерь в уровне сигнала при его распространении

Расчет потерь в уровне сигнала при его распространении будет рассчитываться на основе дифракционной аналитической модели напряженности поля сигнала. Дифракционная аналитическая модель разработана специально для расчета затуханий на трассах систем подвижной связи в городских и пригородных зонах. В отличие от рекомендованной статистической модели Окумура – Хата дифракционная модель позволяет вести расчеты в более широком диапазоне частот, до 2000…2600 МГц, при удалении абонентской станции от базовой станции от сотен метров до единиц километров и для разных возвышений установки антенны БС. В первую очередь модель предназначена для расчета затуханий на закрытых трассах, когда сигнал, приходящий на АС, получается как результат сложной интерференции множества отраженных сигналов. Можно сказать, что дифракционная модель позволяет рассчитывать усредненные значения сигнала в точке приема в зависимости от характеристик городского рельефа.

Исходными величинами для расчета затуханий на трассе являются :

• 
  f = 2600 МГц – рабочая частота;
  
• 
  λ = 0.12 м – длина волны;
  
• 
  R = 600 м – расстояние между АС и БС;
  
• 
  w= 30м – средняя ширина улиц;
  
• 
  d = 60 м – среднее расстояние между улицами;
  
• 
  h = 25(м) – средняя высота зданий;
  
• 
  w_h= d – w = 60– 30 = 30 – ширина застройки;
  
• 
  Δh_b = 15 м высота подвеса антенны БС относительно средней высоты зданий;
  
• 
  Δh_m = 22.5 м – среднее «погружение» АС относительно высоты окружающих зданий.
  

Рис.3. Трасса радиосвязи

Высоту зданий можно оценивать по числу этажей, полагая для типовых зданий 3 м на этаж. Тогда высота четырехэтажного дома составляет 12 м. Если считать, что абонентская станция находится на высоте 1,5 м над землей, то для улиц, застроенных четырехэтажными зданиями, Δh_m=10,5м. Для двенадцатиэтажной застройки Δh_m=34,5 м. Ширина улицw и расстояние между улицамиdдовольно сильно отличаются в разных городских районах.

Суммарные потери на трассе слагаются из трех компонентов:

W_Tp=W₀ + W_rd+W_md, (1)

гдеW₀– затухание при распространении в свободном пространстве;
W_rd– затухание при дифракции от крыши ближайшего к АС здания;
W_md– затухание от множественной дифракции плоских волн, вызванной рядами зданий на трассе.

Механизм двух первых процессов хорошо известен, и величиныW₀ иW_rd можно сравнительно просто описать аналитически. Так, потери, связанные с распространением сферической волны в свободном пространстве зависят от длины волны λ и расстояния R.

, дБ (2)

Дифракцию от крыш к проезжей части улицы можно представить с помощью цилиндрических волн, излучаемых от краев крыши здания.

ВеличинуW_rd определяют на основе геометрической теории дифракции:

, (3)

где - угол падения дифрагирующего луча;

x = 20 – расстояние от АС до стенки левого дома (0<x);

….. расстояние от АСдо крыши левого дома.

В выражение (10) добавлен множитель 1/2, что позволяет учесть сложение волн, возникших вследствие дифракции на крыше левого здания, с другими приходящими волнами, в том числе в результате рассеяния на противоположной стене.

Более сложным является расчет затухания, вызванного дифракцией волн на сложном экране в виде рядов зданий:

, (4)

где Q_m– сложная функция, зависящая от числа экранов m (домов,

находящихся между БС и АС), высоты подвеса антенны БС Δh_b, среднего расстояния между улицами d и длины волны λ. Общее выражение дляQ_m существенно упрощается для трех интересных для практики случаев вариантов подвеса антенны БС:

1. Антенна БС находится непосредственно на уровне крыш зданий



Рис.4. Вариант трассы радиосвязи

Этот случай характерен для районов, застроенных однотипными зданиями равной высоты. При расположении антенны БС на уровне крыш зданий
Δh_b = 0. ОпределяемR= M*d. При этих условиях

, (5)

Получаем следующее выражение для затухания на трассе:

, дБ (6)

В выражении (13) в первое слагаемое для W₀, который находится по формуле (8), введен поправочный коэффициент , учитывающий изменение структуры основного лепестка излучения антенны.

Таким образом, затухание возрастает как четвертая степень расстояния и как третья степень частоты.

2. Антенна БС приподнята над крышами зданий (рис.5).



Рис.5. Вариант трассы радиосвязи

В том случае, когда антенна приподнята хотя бы на несколько метров от уровня крыш выражение для Q_M аппроксимируют формулой

, (7)

Затухание на трассе рассчитывают по формуле (2.15):

( 15), дБ

Как следует из (14), затухание приближенно возрастает как четвертая степень расстояния и как вторая степень частоты.

3. Антенна БС расположена ниже крыши дома (Δh_b< 0 ). Это характерный случай расположения антенны БС в микросоте, когда антенну закрепляют на стене здания (рис. 6).



Рис.6. Вариант трассы радиосвязи

При этом процесс дифракции и отражений волн обусловлен противоположными стенами домов улиц, где находятся БС и АС. Результирующее выражение для расчета затухания представляют в виде (16)

, дБ (8)

где

Формула (16) позволяет рассчитать потери в затененной области через один или несколько рядов зданий. При этом удается определить помехи, создаваемые данной БС в микросотах других БС, расположенных на соседних улицах

Введём параметры в расчётную систему все необходимые параметры:



Рассчитаем потери:

Определение параметров базовых станций

При определении параметров базовых станций сети (мощности передатчиков P_БС (дБм) и высот антенн h_БС) необходимо использовать технические данные радиооборудования сети, в частности, чувствительности приемников мобильных станций P_MС (дБм), высоты их антенн h_МС, и коэффициенты усиления антенных устройств базовых станций G_БС (см. табл.1-6).

Выбор пунктов размещения БС

К выбору пунктов размещения БС сети связи LTE предъявляются следующие технические требования:

1. 
   Удаление от идеальной позиции регулярной структуры не более чем на 200…300 м;
   
2. 
   Высота крыши здания не менее 25…30 м (более предпочтительны здания с плоской крышей);
   
3. 
   Отсутствие крупных препятствий в направлениях излучения секторных антенн БС на удалениях до 1 км;
   
4. 
   Возможность размещения антенных башен (мачт) высотой до 10 м на углах крыш для снижения их экранирующего действия.
   

Расчет пространственных параметров сети и параметров базовых станций

1. 
   Рассчитаем требуемую чувствительность приемника по формуле
   

, дБм (9)

2. 
   Рассчитаем необходимую мощность полезного сигнала с вероятностью 50% по формуле
   

, дБм (10)

Расчет производится для двух направлений передачи

БС→АС:

АС→БС:

3. 
   Рассчитаем необходимую напряженность поля полезного сигнала с вероятностью 50 % по формуле
   

, дБ(мкВ/м) (11)

Расчет производится для двух направлений передачи

БС→АС: дБ(мкВ/м)

АС→БС: дБ(мкВ/м)

4. 
   Рассчитаем необходимую мощность полезного сигнала на границе зоны обслуживания с вероятностью 75% по формуле
   

, дБм (12)

Расчет производится для двух направлений передачи

БС→АС: дБм

АС→БС: дБм

5. 
   Рассчитаем необходимую напряженность поля полезного сигнала на границе зоны обслуживания с вероятностью 75% по формуле
   

, дБм(мкВ/м) (13)

Расчет производится для двух направлений передачи

БС→АС: дБм(мкВ/м)

АС→БС: дБм(мкВ/м)

6. 
   Рассчитаем мощность передатчика базовой станции:
   

, (14)

Расчет производится для двух направлений передачи

дБм – при нахождении АС в здании и расположении антенны на уровне крыши

дБм – при нахождении АС в здании и поднятии антенны на 15 м от уровня крыши зданий

дБм –при нахождении АС в здании и расположении антенны на 15 м ниже уровня крыши зданий

Введём необходимые исходные данные в систему:

Р
ассчитаем параметры базовых станций:

Исходя из полученных результатов, целесообразно устанавливать антенны с мощностью базовой станции 40 Вт (47 дБм).

Выбор оборудования

Т.к. мощность на одного абонента , а число абонентов на один сектор 1016, то мощность , приходящаяся на сектор . Исходя из этого значения подберём необходимое оборудование.

На российском рынке оборудования для мобильных сетей LTE представлены продукты многих фирм, среди которых:

- Ericsson;

- Alcatel-Lucent;

- Nokia Siemens Networks;

- Fujitsu;

- Huawei Technologies;

- Motorola;

- Cisco Systems

- Air4G

При выборе высокотехнологичного оборудования для сетей LTE необходима руководствоваться такими критериями, как:

- цена;

- качество;

- гарантийные обязательства;

- функциональность оборудования и возможности по ее расширению;

- возможность интеграции в существующие сети;

- диапазон частот и так далее.

При выборе оборудования, оператор обращает внимание в первую очередь на соотношение цена/качество.

В качестве оборудования базовой станции было принято решение использовать станции Air4G (MacroMAXe).

Air4G (MacroMAXe) – линейка базовых станций WiMAX/LTE производства компании Airspan, представлена тремя модификациями: Air4G-W24 (только WiMAX), Air4G-WL24 (WiMAX + LTE), Air4G-L44 (только LTE). Рабочий диапазон частот: 2.3 – 2.7, 3.3 – 3.8, 5.15 – 6.425 ГГц.

Система Air4G включает в себя антенную систему MIMO с количеством передатчиков и приемников соответственно:

• 
  2х4 для Air4G-W24 (WiMAX) и Air4G-WL24 (WiMAX + LTE);
  
• 
  4×4 для Air4G-L44 (LTE).
  

При этом достигается эффективная излучаемая мощность до 60dBi. Система Air4G поддерживает значения ширины канала: 3.5 МГц, 5 МГц, 7 МГц и 10 МГц, а также режим “dual MAC/PHY”, позволяющий использовать полосы 2×7 МГц и 2×10 МГц. Air4G предназначена для развертывания в трехсекторной конфигурации, которая считается оптимальной для развертывания сетей мобильного WiMAX и LTE. Система полностью поддерживает протокол R6 для работы со шлюзом сети доступа (ASN Gateway), как распределенным, так и централизованным.

При развертывании сетей мобильного доступа наиболее значимым фактором является частотный ресурс, следовательно, эффективность его использования должна быть максимальной. Чтобы получить коэффициент повторного использования частот равный единице (N=1), необходимо соблюсти баланс между максимальной загрузкой спектра и подавлением интерференционных помех.

Для этой цели в системе Air4G реализована технология повторного использования частот FFR (Fractional Frequency Reuse) и SFR (Soft Frequency Reuse) с оптимальным сочетанием полного (FUSC) и частичного (PUSC) использования поднесущей. При этом обеспечивается максимально плотная зона абонентского покрытия с максимально компактным частотно-территориальным планом и минимальным влиянием интерференционных помех.

Выводы.

В ходе выполнения данной курсовой работы была произведена оценка числа абонентов и предполагаемой площади покрытия сети LTE в г. Саранск. Определён наиболее оптимальный тип кластера и антенны базовой станции. Рассчитана предполагаемая нагрузка сети, исходя из оценки территориального планирования для движущихся и стационарных объектов. Произведён анализ эффективности проектированной сети, в ходе которого рассчитано количество абонентов, которое должно быть обслужено одной базовой станцией и количество базовых станций для обеспечения связи всего сегмента сети. Следует отметить, что данный анализ проводился только на основании численных данных о населении и не затрагивал особенности застройки и площадь территории. В связи с этим количество базовых станций может быть больше чем рассчитано. Оценена минимальная мощность излучения на одного абонента. Рассчитаны потери в уровне сигнала при различных вариантах установки антенны базовой станции. Исходя из этих значений, была определена мощность излучения станции на одного абонента и подобрано оборудование.