Исследование использования новых стандартов сотовой связи и широкополосного доступа LTE и WIGIG для предоставления услуг Triple Play

В настоящее время основным усилием операторов сотовой связи стала работа над внедрением систем нового — четвёртого поколения 4G (LTE — Long Term Evolution). Основной задачей разработчиков этого стандарта было увеличение скорости передачи данных на начальном этапе до 150 Мбит/c. На основании этих достижений в телекоммуникационной сфере операторы предлагают возможность предоставления всех телекоммуникационных услуг через одну линию связи от одного провайдера, такая конфигурация услуг называется термином «Triple Play», или «три в одном». Телекоммуникационная технология направлена на то, чтобы удовлетворить самые взыскательные требования современного потребителя и сделать набор сервисов максимально широким.

Скорость совершенствования и смены технологий в системах подвижной радиосвязи не сравнима по времени со временем, затраченным на этапное развитие аналогичных систем связи прошлого века. Начинающееся строительство систем, основанных на новых технологиях зачастую происходит без завершения или оптимизации сетей, основанных на предшествующих технологиях. Экономическая неэффективность проектов из-за ошибок радиопланирования, не следования основным научно обоснованным рекомендациям по строительству сетей, приводит к отсутствию эффекта самой технологии, к отсутствию видимого качественного технологического скачка. Оптимизация сетей и устранение ошибок планирования — мероприятие дорогостоящее, а, как правило, ожидаемое внедрение новых технологий обещает нивелировать все технические недоработки и недочёты сетей предыдущих поколений.

Следуя основному правилу развития сотовых сетей третьего и четвёртого поколения: «Использование сети GSM, как каркас для развития новый сетей» строительство и расширение их происходит, несмотря на то, что новые стандарты имеют особенности как в технических характеристиках, так и в самом его назначении использования, по шаблону сетей GSM.

В качестве яркого примера можно привести методику совершенствования в системах связи второго поколения: а именно при переходе от систем 2,5G (GPRS — General Packet Radio Service) к системам 2,75G (EDGE — Enhanced Data for Global Evolution или, как еще иногда можно услышать, Enhanced Data rates for GSM Evolution). Технологические преимущества системы кодирования в EDGE практически не привели к сколько-нибудь серьёзным сдвигам в качестве обслуживания клиентов. Задачей новой системы кодирования было увеличение скорости пакетной передачи данных с 17…18 kbit/s/slot до 59,2 kbit/s/slot (рис. 1). Размещение базовых станций, не смотря особые требования к отношению сигнала к шуму в новой системе, происходило на прежних объектах, рассчитанных для систем связи 2-го поколения на её первой ступени. Прежние объекты строились из расчёта соотношения сигнала к помехе 9дБ. Новые схемы кодирования начинают работать при отношении сигнала к помехе уже не в 9, а в 30…60 дБ (Рис.1). Получить такое соотношение сигнала к помехе на объектах GSM первой ступени без перепланирования размещения базовых станций (БС) технически невозможно. Поэтому ни у кого из операторов результат практического применения технологии EDGE пользователь заметить не смог.

Операторы решили эту проблему ускоренной заменой технологии второго поколения на третье (3G). Не смотря на явное различие в скорости передачи данных, сетей третьего поколения от систем 2G уже, заявленные возможности на практике не подтверждались и оставались лишь рекламными. Не завершив отладку качества сетей 3G начинается новое строительство — системы нового поколения: 4G!

Рис. 1. Зависимость возможного увеличения скорости передачи данных от отношения сигнала к помехе

К начавшемуся строительству сетей стандарта 4G, их использованию в качестве радиодоступа к услугам Triple Play, целесообразно подходить исходя из его технических особенностей и специфичности назначения. Специфичность в назначении стандарта заключается в том, что на первом этапе своего развития он предназначен только для пакетной передачи данных на скоростях до 150 Мбит/с. Если система связи основанная на GSM создавалась в основном для организации связи в движении, то стандарт LTE имеет некоторые ограничения его использования в движении. Начавшееся строительство сетей 4G подтверждает отсутствие учёта его особенностей.

На современном этапе может быть использовано два основных подхода к планированию 4G сетей — это с целью формирования максимальной площади покрытия или с целью обеспечения требуемой емкости. Задачи эти противоречат друг другу. Так, в городских условиях при высокой плотности абонентов зоны обслуживания БС по площади гораздо меньше максимально возможной, но оптимизированы по пропускной способности. В сельской местности наоборот, плотность абонентов — невысокая, и БС устанавливаются на максимальном удалении друг от друга так, чтобы обеспечить максимальное радиопокрытие. И в том и в другом случае оценивают, как радиопокрытие, так и емкость сети для того, чтобы выявить в проекте сети факторы, ограничивающие ее характеристики.

Для представления вопроса о возможности использования сети LTE для организации предоставления услуги Triple Play необходимо исследование вопросов, связанных с уровнем радиодоступа в жилом помещении.

Планирование радиопокрытия сети LTE начинается с расчёта энергетического бюджета, или максимально допустимых потерь на линии (МДП). МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника сопряженной стороны, при которой с учетом всех потерь в канале связи обеспечивается нормальная демодуляция сигнала в приемнике.

Рассмотрим бюджет радиолинии во внедряемых системах передачи данных 4G.

Исходными данными будут являться: тип передаваемых данных — VoIP, скорость передачи: от 39,7 кбит/с, полоса пропускания системы: Δf: 10 МГц, высота абонентских станций 1,5 м, высота подвеса антенн базовых станций 30 и 50 м в городской и пригородной зоне соответственно. Максимально допустимые потери при распространении в канале равны:

где  _— мощность передатчика, - коэффициент усиления передающей антенны,  — чувствительность приемника,  — потери в теле абонента,  — коэффициент усиления приемной антенны,  _— потери в фидере,  — запас по интерференции,  _— запас на медленные замирания, берется равным 10,3 дБ.

Будем рассматривать частотный диапазон, выделенный для современных систем в Российской Федерации 2600 МГц и временным дуплексом [1]. Причем для системы с временным дуплексом рассмотрим два варианта конфигураций кадра 1 и 2. Системная полоса для всех систем рассматривается равной 20 МГц, т. е. в случае FDD системная полоса будет разделяться на два канала по 10 МГц для линии вверх (UL) и линии вниз (DL), а в случае TDD вся полоса 20 МГц будет использоваться как на UL, так и на DL.

В рассматриваемой БС, радиочастотный блок каждого сектора оснащен двумя приемопередатчиками с выходной мощностью 20 Вт (43 дБм), хотя в [2] максимально разрешённая мощность передатчика представлена не выше 24 дБм, что должно уменьшить радиус зоны покрытия почти вдвое. Базовая станция работает на линии вниз в режиме MIMO 2×2 с использованием кросс-поляризованной антенны. Поскольку энергетический бюджет рассчитывается для абонентской станции (АС) на краю соты, т. е. принимающей сигналы от БС с низким отношением сигнал/шум (ОСШ), то БС передает сигналы на эту АС в режиме разнесенной передачи. За счет сложения мощностей сигналов двух передатчиков в пространстве можно получить энергетический выигрыш (3 дБ). В качестве АС рассматривается USB-модем (ЭИИМ 23 дБм).

Данные энергетического расчёта внесены в таблицы 1 и 2. Более того наша задача обеспечить доступ к услугам Triple Play в помещении.

Для того, чтобы обеспечить связь в помещении, необходимо добавить в энергетический бюджет запас на проникновение радиоволн в помещение (). Для диапазона 2600 МГц могут использоваться следующие типовые значения запаса на проникновение: для города с плотной застройкой — 22 дБ, для города со средней застройкой — 17 дБ, для пригорода — 12 дБ и для сельской местности — 8 дБ.

Таблица 1

Энергетический бюджет радиолинии LTEдля города со средней застройкой

Из двух значений МДП, полученных для UL и DL, выбирают минимальное, по которому производят дальнейший расчет радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх (UL).

В таблицах 1 и 2 максимально допустимые потери на линиях вверх и вниз примерно одинаковые, с разницей меньше 1 дБ. В этих примерах скорости передачи на линии вверх были зафиксированы, а на линии вниз для каждого случая скорость подбиралась так, чтобы сбалансировать максимально допустимые потери для обеих линий. В таблице 2 указаны радиусы сот для ограничивающей линии с наименьшим МДП, для линии вверх, в условиях средней городской застройки. Для расчета дальности связи в данном случае используется модель распространения радиоволн COST231-Hata.

Таблица 2

Дополнительные запасы и выигрыши бюджета радиолинии LTEдля города со средней застройкой

Наилучшим радиопокрытием при одной и той же гарантированной скорости передачи данных на линии вверх обладает система FDD. Для того, чтобы передать один и тот же поток данных в трех рассмотренных системах, на линии вверх приходится выделять разное количество частотных ресурсов (в обратной зависимости от длительности кадра), поскольку длительности кадров на линии вверх различаются: 10 мс — в случае FDD; 4 мс — в случае TDD, конф.1; 2 мс — в случае TDD, конф.2. Но чем больше частотных ресурсов выделяется пользователю, тем выше мощность тепловых шумов во входных цепях приемника, и хуже его чувствительность.

Исследования, проведённые в работе [3], уточняют уровень затухания радиосигнала при его прохождении сквозь стены современных строений и, в зависимости от этажности затухание в городе с плотной застройкой составляет от 24 до 33 дБ.

Таким образом, рассмотрение вопросов «коврового» радиопокрытия (сплошного без просветов) сети LTE, как минимум на первом своём этапе, представляется нецелесообразным.

В соответствии с возлагаемыми на LTE задачами радиодоступ в первую очередь должен быть обеспечен для стационарных или малоподвижных абонентов. Строительство сети целесообразно вести микро- и пико- сотами в местах наибольшего скопления пользователей. Технически услуга Triple Play может быть успешно реализована через радиодоступ сети LTE с условием значительного расширения канальной ёмкости действующих сетей и иерархичного построения. При использовании иерархического построения сети в двух диапазонах, например на частотах 2600 МГц и 800 МГц по аналогии системы GSM, где макросоты обеспечивают сплошное (ковровое) покрытие, а микро-и пикосоты имеют задачу снятия высокой нагрузки в густонаселённых районах или малоподвижных абонентов.

Литература:

1.         Мобильный форум. Л. Варукина. Упражнение по планированию радиосетей LTE. (http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm дата обращения 27.02.2013)

2.         Правила применения базовых станций и ретрансляторов сетей подвижной радиотелефонной связи. Часть VI. Правила применения оборудования систем базовых станций и ретрансляторов сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта LTE. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 06.06.2011 № 129

3.         Пищин О. Н. Сергеева Е. В. Повышение качества предоставления услуг с подвижных системах радиосвязи. Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. Выпуск 1 — Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013. — с.126–132.