Расчет параметров сетей WCDMA

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Ресурсы радиоканала и эффективность зоны обслуживания

Существует несколько специальных параметров WCDMA в ресурсе канала радиосвязи, которые не используются в системе радиодоступа, основанном на TDMA, как, например, GSM. Самыми важными являются следующие:

- Запас помехозащищенности. Этот параметр необходим в ресурсе радиолинии, потому что нагрузка ячейки, коэффициент нагрузки, влияет на зону обслуживания. Чем большая нагрузка допустима в системе, тем больший запас помехозащищенности необходим в восходящем канале и тем меньше зона обслуживания. Для случаев с ограниченной зоной обслуживания допускается меньший запас помехозащищенности, тогда как в случаях с ограниченной емкостью размер ячейки ограничивается допустимыми потерями на трассе в ресурсе радиолинии, и максимальная емкость воздушного интерфейса сайта базовой станции не используется. Типичными значениями запаса помехозащищенности в случаях с ограниченной зоной обслуживания являются 1,0 - 3,0 дБ, которые соответствуют 20 - 50 %-ной нагрузке.

- Запас на быстрые замирания (= резерв на управление мощностью). Для обеспечения адекватного быстрого управления мощностью в замкнутом контуре необходим какой-то резерв мощности передачи MS. Это особенно относится к медленно перемещающимся подвижным пользователям, где быстрое управление мощностью помогает эффективно компенсировать быстрые замирания. Типичными значениями для запаса на быстрые замирания являются 2,0 - 5,0 дБ для медленно перемещающихся подвижных пользователей.

- Выигрыш при мягком хэндовере. Хэндоверы - мягкий или жесткий - дают выигрыш при медленных замираниях (= логнормальных замираниях) за счет уменьшения требуемого запаса на логнормальные замирания. Это объясняется тем, что медленные замирания для разных базовых станций слабо коррелированны, и с помощью хэндовера MS может выбрать лучшую базовую станцию. Мягкий хэндовер дает дополнительный выигрыш при использовании макроразнесения в борьбе с быстрыми замираниями за счет уменьшения требуемого отношения Eb/N0 по сравнению с отдельной линией радиосвязи благодаря единению макроразнесений. Полный выигрыш от мягкого хэндовера предположительно находится в интервале между 2,0 и 3,0 дБ в нижеприведенных примерах, включая выигрыш от медленных и быстрых замираний.

Ниже приводятся три примера анализа ресурсов радиолинии для типичных услуг UMTS: услуга по передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с использованием речевого кодека AMR, данных, передаваемых в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с, и данных, передаваемых в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с в городской макросотовой среде при запланированном повышении помех в восходящем канале на 3 дБ. Запас помехозащищенности в 3 дБ резервируется для компенсации увеличения помех в восходящем канале. В таблицах 1 и 2 используются значения, которые рассматривались в ресурсах линии для приемников и передатчиков.

Таблица 1

Ресурс линии радиосвязи в таблице 3 анализируется для передачи речи со скоростью 12,2 Кбит/с для пользователей находящихся в машине, включая потери 8,0 дБ внутри машины. В этом случае никакого запаса на быстрые замирания не резервируется, поскольку при скорости 120 км/час быстрое управление мощностью не позволяет компенсировать замирания. Полагаем, что требуемое Eb/N0 равно 5,0 дБ.

Таблица 2

Требование Eb/N0 зависит от битовой скорости вида обслуживания, профиля многолучевости, скорости перемещения MS, алгоритмов приемника и структуры антенны BS. Для низких скоростей MS требование к Eb/N0 является низким, но, с другой стороны, требуется запас на быстрые замирания. Как правило, низкие скорости MS являются огранивающим фактором в определении размеров зоны обслуживания из-за требуемого запаса на быстрые замирания. В таблице 8.4 приведен анализ ресурса линии для обслуживания передачи данных в реальном времени со скоростью передачи 144 Кбит/с, при 80% вероятности обеспечения нахождения абонента внутри здания. Основное различие данных в таблице 4 по отношению к таблице 3 состоит в разных выигрышах в отношении сигнал/шум при обработке сигналов, более высокой мощности передачи MS и более низких требованиях к Eb/N0. К тому же, запас 4,0 дБ резервируется для быстрого управления мощностью, чтобы можно было компенсировать замирания при скорости движения 3 км/час. Здесь допускаются средние потери на проникновение в здание, равные 15 дБ.

Таблица 3

радиосвязь канал антенна сеть

В таблице 5 приводится анализ ресурса радиолинии для обслуживания передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с вне помещения. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов ниже, чем в предыдущих таблицах из-за более высокой скорости передачи. Кроме того, требование Eb/N0 ниже, чем при более низких скоростях передачи. Этот ресурс радиолинии рассматривается при допущении, что мягкий хэндовер отсутствует.

Таблица 4

Таблица 5

Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта на узел в км2/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика.

Исходя из вышеуказанных ресурсов радиолинии, расстояние до границ ячейки R можно легко вычислить по известной модели распространения, например, модели Окумура-Хата или модели Уолфиш-Икегами. Модель распространения описывает усредненный вариант распространения сигналов в указанной среде, и она позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах. В качестве примера мы можем взять модель распространения Окумура-Хата для городской макроячейки с высотой антенны BS 30 м, высотой антенны MS 1,5 м и частоты несущей 1950 МГц:

L = 137,4 + 35,2 log10(R) (1)

где L потери на трассе в дБ и R расстояние в км. Для пригородных зон мы допускаем использование дополнительного коэффициента коррекции зоны 8 дБ и получаем потери на трассе в виде:

L = 129,4 + 35,2 log10(R) (2)

Согласно уравнению (1) расстояние до границ ячейки при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с потерями на трассе 141,9 дБ в пригородной зоне, показанны в таблице 3, составит 23 км. Расстояние до границ ячейки при скорости передачи 144 Кбит/с внутри помещения составит 1,4 км. Определив расстояние до ячейки R, можно затем получить размеры участка (сайта), которые являются также функцией конфигурации разбиения на секторы. Для ячейки гексагональной формы, охватываемой ненаправленной антенной, зона обслуживания может быть аппроксимирована как 2,6R2.

2. Коэффициенты нагрузки и эффективность спектра

Вторым этапом определения размаха является оценка величины поддерживаемого трафика на участке (сайте) BS. Когда повторное использование частоты системы WCDMA равно 1, система, как правило, ограничивается по помехам воздушным интерфейсом, и, таким образом, должны быть вычислены величина помех и емкость ячейки.

3. Коэффициент нагрузки в восходящем канале

Теоретическая спектральная эффективность ячейки WCDMA может быть вычислена из уравнения нагрузки, вывод которого показан ниже. Прежде всего, определим Eb/N0 энергию на пользовательский бит, поделенную на спектральную плотность шума.

Уравнение нагрузки позволяет прогнозировать величину превышения помехами теплового шума. Превышение уровня равно 10 log10(1- UL). Запас на помехи в ресурсе линии должен быть равен максимальному принятому превышению помех.

Требуемое отношение Eb/N0 можно получить исходя из моделирования на уровне канала и данных измерений. Оно включает влияние управления мощностью в замкнутом контуре и мягкого хэндовера. Влияние мягкого хэндовера измеряется как выигрыш от объединения макроразнесений по сравнению с величиной Eb/N0 для отдельной линии. Отношение помех от другой ячейки к помехам собственной (обслуживающей) ячейки i является функцией среды ячейки или развязки ячеек (например, макро/микро, городской/пригородный) и диаграммы направленности антенны (например, всенаправленной, 3-х или 6-и секторной). Параметры поясняются дальше в таблице 6.

Уравнение нагрузки обычно используется для составления полуаналитического прогнозирования средней емкости ячейки WCDMA без моделирования пропускной способности на уровне системы. Это уравнение нагрузки можно использовать с целью прогнозирования емкости и планирования превышения помех в процессе определения размаха.

Таблица 6

На рисунке 1 показан пример увеличения шума в восходящем канале от скорости передачи данных с требуемым допущением Eb/N0 = 1,5 дБ и i = 0,65. Увеличение шума на 3 дБ соответствует 50 % коэффициенту нагрузки, и на 6,0 дБ 75 % коэффициенту нагрузки. Вместо показа числа пользователей N мы показываем полную пропускную способность на ячейку для всех одновременно обслуживаемых пользователей. В этом примере пропускная способность 860 Кбит/с может обеспечиваться при увеличении шума на 3,0 дБ, а 1300 Кбит/с при увеличении шума на 6,0 дБ.

Рисунок 1 - Увеличение шума в восходящем канале как функция полной пропускной способности в восходящем канале.

4. Коэффициент нагрузки в нисходящем канале

Коэффициент нагрузки в нисходящем канале DL можно определить, основываясь на аналогичном принципе, как и для восходящего канала, хотя параметры будут несколько различными.

Эти параметры поясняются ниже в таблице 7. По сравнению с уравнением нагрузки в восходящем канале наиболее существенным новым параметром является j, который представляет собой коэффициент ортогональности в нисходящем канале. WCDMA использует ортогональные коды в нисходящем канале для разделения пользователей; ортогональность сохраняется и без какого-либо многолучевого распространения, когда сигнал BS принимается MS. Однако, если имеет место большой разброс задержки в радиоканале, MS будет воспринимать часть сигнала BS как помеху от множественного пользования. Ортогональность, равная 1, соответствует идеальным ортогональным пользователям. Обычно, ортогональность в многолучевых каналах составляет от 0,4 до 0,9.

В нисходящем канале отношение радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной ячейке i зависит от расположения пользователя и поэтому является различным для каждого j пользователя.

При моделировании радиопомех в нисходящем канале влияние передачи с мягким хэндовером может моделироваться как наличие дополнительных соединений в ячейке. Затраты на мягкий хэндовер определяются как полное число соединений, поделенных на общее число пользователей минус 1. В то же самое время следует учитывать выигрыш при мягком хэндовере по сравнению с Eb/N0 для отдельной радиолинии. Этот выигрыш, названный выигрышем от объединения при макроразнесениях, можно вывести из анализа моделирования на уровне линия/система и измерить как уменьшение требуемого отношения Eb/N0 для каждого пользователя.

Влияние разнесения антенн при передаче должно быть включено в требуемое отношение Eb/N0.

Коэффициент нагрузки в нисходящем канале UL очень похож на коэффициент нагрузки в восходящем канале DL в том смысле, что при приближении к 1 система достигает своей полной пропускной способности, и увеличение помех по сравнению с тепловым шумом стремится к &.

Таблица 7

Примечание: собственная ячейка определяется как наилучшая ячейка обслуживания. Если пользователь пользуется мягким хэндовером, все другие базовые станции в активном семействе пользователей считаются как часть "другой ячейки".

Для задания размеров в нисходящем канале важно оценить полную требуемую величину мощности передачи BS. Она должна быть основана на усредненной мощности передачи для пользователя, а не на максимальной мощности передачи на краю ячейки, показанной в ресурсе радиолинии.

Минимальная требуемая мощность передачи для каждого пользователя определяется средним затуханием между передатчиком и мобильным приемником, т.е. , и чувствительностью приемника MS в условиях отсутствия радиопомех при множественном доступе (внутри или между ячейками). Тогда влияние увеличения помех, обусловленное радиопомехами, добавляется к этой минимальной мощности, и полная мощность представляет собой мощность передачи, необходимую для пользователя при "среднем" расположении в ячейке.

Нагрузка воздушного интерфейса в обоих каналах в восходящем и нисходящем влияет на зону обслуживания, однако, влияние не будет строго одинаковым. Ниже описывается это различие между кривыми нагрузки в восходящем и нисходящем каналах. Максимальные потери на трассе, т.е. зона обслуживания как функция нагрузки показана на рис. 8.3 для обоих каналов.

Предполагают, что сайт ячейки состоит из 3-х секторов, и пропускные способности показаны на сектор на несущую 5 МГц. Восходящий канал вычисляется для передачи данных со скоростью 144 Кбит/с. Считается, что отношение уровней радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной i равно 0,65. В нисходящем канале считается, что ортогональность равна 0,6 и Eb/N0 = 5,5 дБ, что дает полную пропускную способность 820 Кбит/с/ячейка. Никакого разнесения при передаче не допускается при этом отношении Eb/N0. Мощность передачи BS предполагается равной 10 Вт, и дополнительно учитываются потери в кабеле. Влияние общих нисходящих каналов включают в вычисления для нисходящего канала, т.е. для общих нисходящих каналов выделяется часть от 10 Вт. Максимальная пропускная способность в восходящем канале в этом примере составляет 1730 Кбит/с/ячейка.



Рисунок 2 - Пример зависимости зоны обслуживания от полной пропускной способности в нисходящем и восходящем каналах в макроячейках

В нисходящем канале зона обслуживания зависит от нагрузки больше, чем в восходящем канале согласно рисунок 2. Это происходит, потому что в нисходящем канале максимальная мощность передачи остается одинаковой те же 10 Вт независимо от числа пользователей и совместно используется пользователями в нисходящем канале, тогда как в восходящем канале каждый дополнительный пользователь имеет свой собственный усилитель мощности. Поэтому даже при низкой нагрузке в нисходящем канале зона обслуживания уменьшается с увеличением числа пользователей.

Отметим, что при вышеуказанных допущениях зона обслуживания восходящим каналом для нагрузки ниже 650 Кбит/с жестко ограничивается, тогда как в нисходящем канале ограничивается пропускная способность.

Представленные выше пропускные способности зависят от окружающей среды и приведены только в качестве примеров. Зависимость между пропускной способностью и зоной обслуживания будет сохраняться независимо от сделанных допущений.

Необходимо помнить о том, что в сетях 3-го поколения трафик в восходящем и нисходящем каналах может быть асимметричным, и нагрузка в этих каналах может быть различной.

На рисунке 2 считается, что максимальная мощность в BS равна 10 Вт. На сколько можно увеличить зону обслуживания и пропускную способность в нисходящем канале, если использовать большую мощность, например, 20 Вт. На рисунке 3 показано различие между зоной обслуживания и пропускной способностью в нисходящем канале при выходных мощностях BS 10 Вт и 20 Вт.

Если мы увеличим мощность в нисходящем канале на 3 дБ, то мы сможем допустить на 3,0 дБ более высокие максимальные потери на трассе независимо от нагрузки. Увеличение емкости меньше, чем увеличение зоны обслуживания, исходя из кривой нагрузки. Если мы теперь зафиксируем потери на трассе в нисходящем канале при 153 дБ, которые являются максимальными потерями на трассе в восходящем канале при запасе на радиопомехи (интерференцию) 3 дБ, то емкость по нисходящим каналам может увеличиться только на 10 % (0,4 дБ) от 680 Кбит/с до 750 Кбит/с. Увеличение мощности передачи в нисходящем канале неэффективный способ увеличения пропускной способности в нисходящем канале, потому что имеющаяся мощность не влияет на максимальную пропускную способность.

Допустим, что мы имеем мощность передачи в нисходящем канале 20 Вт. Разделение мощности в нисходящем канале между двумя частотами позволит увеличить пропускную способность в нисходящем канале от 750 Кбит/с до 2х680 Кбит/с = 1360 Кбит/с, т. е. на 80 %. Разделение мощности в нисходящем канале между двумя несущими эффективный способ увеличения пропускной способности без каких-либо излишних вложений в усилители мощности. Способ разбиения мощности требует, чтобы распределение частот оператором позволяло использовать две несущих на BS.



Рисунок 3 - Влияние выходной мощности BS на полную пропускную способность и зону обслуживания в нисходящем канале

5. Анализ для наихудшего случая в восходящем канале

В этом разделе приводится ситуация по помехам по соседним каналам для наихудшего случая. Помехи по соседним каналам для наихудшего случая имеют место тогда, когда MS передает на полной мощности, располагаясь близко к BS, которая осуществляет прием на соседней несущей. Здесь допускаются минимальные потери на взаимосвязь равные 50 дБ. Минимальные потери на взаимосвязь определяются как минимальные потери на трассе между антеннами MS и BS. Другие допущения в этих вычислениях для наихудшего случая показаны в таблице 8, а полученные результаты в таблице 9.

Таблица 8

Таблица 9

Помехи по соседнему каналу в приемнике BS для микроячейки равны 62 дБм, что на 41 дБ выше уровня теплового шума в приемнике. Такое большое превышение уровня помех будет заметно влиять на зону обслуживания микроячейки в восходящем канале. Однако, маловероятно, что будет иметь место такая обстановка для наихудшего случая. Она потребует, чтобы в это же самое время соблюдались следующие условия:

- MS оператора 1 ведет передачу при полной мощности 21 дБм.

- MS оператора 1 располагается очень близко к антенне BS микроячейки оператора 2. Минимальные потери на взаимодействие в 50 дБ появляются, если только антенна BS расположена очень низко и MS может оказаться вблизи антенны.

- MS оператора 1 ведет передачу на соседней несущей. Если существует одна несущая между передачей и приемом, мощность помех от соседнего канала затухает на 10 дБ больше, чем на соседней несущей согласно таблице 8.16.

- Коэффициент шума BS микроячейки, включая потери в кабеле, составляет только 5 дБ. Если чувствительность не достаточно высокая, BS менее чувствительна также и к помехам по соседнему каналу.

Даже, если существуют повышенные помехи в приемнике BS, это необязательно приведет к каким-либо несостоявшимся вызовам в микроячейке. Однако, это должно привести к уменьшенной зоне обслуживания, хотя проблемы не должны быть, если микроячейка не ограничена по зоне обслуживания.

6. Блокировка (задержка в обслуживании) в нисходящем канале

Необходимо отметить, что MS оператора 1 принимает помехи по соседним каналам в нисходящем канале от BS оператора 2 микроячейки, и его связь будет, вероятно, прервана прежде, чем пользователь сможет оказаться очень близко к BS оператора 2. Это происходит, потому что чувствительность приемника MS невысокая, и MS принимает помехи от BS микроячейки на соседней несущей. Блокировка соединений в нисходящем канале может даже считаться желательной. Предпочтительнее отбросить одно соединение в нисходящем канале, чем допустить, чтобы MS создавала помехи все соединениям одной ячейки в восходящем канале. Потеря (отказ) соединения в нисходящем канале зависит от максимальной мощности, которая может быть назначена одному соединению от BS макроячейки для компенсации возросших помех при приеме в MS.

Если MS испытывает помехи по соседнему каналу в нисходящем канале от близлежащей BS, она может избежать этих помех с помощью межчастотного хэндовера и перейти на другую несущую оператора WCDMA. Межчастотные хэндоверы можно использовать для того, чтобы избежать проблем, связанных с помехами по соседним каналам в нисходящем канале.

Эта блокировка (задержка в обслуживании) не происходит там, где существуют помехи системы UTRA между FDD и TDD, и поэтому могут возникнуть более трудные ситуации с помехами в восходящем канале между FDD и TDD, чем в полосе FDD.

7. Моделирования в восходящем канале

При моделировании влияние помех от соседнего канала можно проанализировать в более реальной обстановке. В модель системы были включены макроячейки и микроячейки и все MS, подсоединенные к ячейкам. Минимальные затухания взаимосвязи в этих моделях составляли 53 дБ, являясь очень низким значением, и происходили только, если MS могла оказаться очень близко к антенне BS.

Таблица 10

Номинальное разнесение каналов WCDMA составляет 5 МГц при скорости передачи чипов 3,84 Мчип/с. В этих моделях использовали старую скорость передачи чипов 4,096 Мчип/с. Скорость передачи чипов 3,84 Мчип/с улучшает характеристику соседнего канала на 0,5 0,7 дБ по сравнению с результатами, показанными в этом разделе. В восходящем канале считается, что все каналы являются каналами информационного обмена для передачи данных со скоростью 8 Кбит/с, и никакая нагрузка, обусловленная каналами управления, не учитывается. В нисходящем канале моделируются общие каналы управления, и их мощность добавляется к мощности передачи BS. Коэффициент ортогональности был равен 0,4.

В этих моделях максимальное допустимое увеличение шума в восходящем канале составило 20 дБ в микроячейках и 6 дБ в макроячейках. Повышение шума это увеличение уровня широкополосных помех над тепловым шумом при приеме BS. Для больших макроячеек допускается меньшее повышение шума, потому что большее повышение шума уменьшает зону обслуживания. В этих моделях итерационно была выбрана максимальная нагрузка так, что предопределенные максимальные значения повышения шума не превышались, если даже наблюдались помехи по соседнему каналу. Этот подход соответствует случаю, где такие алгоритмы управления радиоресурсом в реальном времени, как управление доступом, управление нагрузкой и распределение пакетов, поддерживают нагрузку в восходящем канале в запланированных пределах, и на зону обслуживания не влияют помехи по соседним каналам. Влияние помех по соседним каналам можно рассматривать как уменьшенную пропускную способность в восходящем канале.

8. Результаты моделирования

В этих моделях зона обслуживания микро- и макроячеек поддерживалось в запланированных пределах даже, если существовали помехи по соседнем каналам, и наблюдалось уменьшение максимальной пропускной способности. На рисунке 5 показаны потери в пропускной способности.

Пропускная способность не чувствительна к помехам по соседним каналам, если затухание между соседними несущими (ACIR) выше 20 дБ. Минимальное требование для ACIR 33 дБ, см. таблицу 8.15. При значении 33 дБ потери в пропускной способности в микроячейках явно ниже 1 %, а в макроячейке ниже 2 %. Пропускная способность макроячейки более чувствительна к помехам по соседним каналам, чем микроячейки. Моделирования показывают, что пропускная способность микроячейки остается хорошей, тогда как работа макроячейки больше повергается помехам по соседнему каналу. Это обусловлено тем фактом, что число пользователей, мешающих макроячеек так мало, что помехи по соседнему каналу, вырабатываемые ими, пренебрежимо малы. С другой стороны, число пользователей микроячеек очень велико, следовательно, они создают большие помехи по соседним каналам базовым станциям (BS) макроячейки.

9. Планирование сети при наличии помех по соседнему каналу

Выбор местоположения антенны BS и диаграмм направленности антенны влияет на минимальные потери на связь между MS и BS. Если эти потери на связь велики, то помех по соседним каналам можно избежать. На практике антенна BS не должна располагаться так низко, чтобы MS могла легко приблизиться к антенне.

Можно также уменьшить чувствительность приемника BS, т.е. увеличить коэффициент шума в высокочастотных элементах BS. Этот способ называют загрублением чувствительности, и его можно использовать для того, чтобы приемник BS был менее чувствителен к помехам по соседним каналам. В то же самое время приемник BS также становится менее чувствительным к полезному сигналу, и размеры по дальности ячейки уменьшаются. Поэтому этот способ подходит только для небольших ячеек, где зона обслуживания в восходящем канале не является проблемой.

Если операторы, использующие соседние полосы частоты, располагают свои станции рядом либо в одних и тех же сайтах, либо используют одни и те же мачты, то проблем с помехами от соседнего канала можно избежать, поскольку уровни принимаемой мощности от MS для BS обеих операторов очень близки. Так как больших различий в мощности не существует, затухание в 33 дБ от соседнего канала достаточно для того, чтобы предотвратить проблемы, связанные с помехами по соседним каналам. Кроме того, в нисходящем канале уровни мощности, принимаемые от обеих BS, равны в подвижных станциях обоих операторов. Отметим, что совместное расположение решает проблемы, связанные с помехами по соседним каналам, в режиме UTRA FDD.



Рисунок 5 - Потери в пропускной способности в восходящем канале, обусловленные помехами по соседним каналам для сценария микроячейка = макроячейки

Номинальный разнос несущих WCDMA равен 5,0 МГц, но он может регулироваться с использованием сдвига (шага) 200 КГц в соответствии с требованиями, предъявляемыми к помехам по соседним каналам. Используя больший разнос несущих, можно уменьшить помехи по соседним каналам. Если оператор имеет две несущих на одной и той же базовой станции, то разнос несущих между ними может быть уменьшен до 4,0 МГц, потому что проблемы, связанные с помехами по соседним каналам полностью исчезают, если две несущие используют одни и те же антенны BS. В этом случае можно резервировать больший разнос несущих для операторов, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 - Выбор разноса несущих в полосе частот оператора и между операторами.

Меры, принимаемые при планировании сети во избежание помех по соседним каналам, приводятся ниже:

- выбор месторасположения антенн BS;

- загрубление чувствительности приемника BS;

- совместное расположение базовых станций разных операторов;

- регулировка (сдвиг) разнесенных несущих;

- хэндоверы с переходом с частоты на частоту.

10. Зона обслуживания

Вопрос о зоне обслуживания представляется важным, когда сеть не ограничивается еще по пропускной способности (емкости), как, например, в период первоначального развертывания сети и, особенно, в сельских районах. Даже в городских районах сеть может быть ограничена зоной обслуживания, если предоставляется надежная зона обслуживания внутри зданий для услуг, требующих передачи данных с высокой скоростью, а базовая станция будет находиться снаружи. Требование иметь надежную зону обслуживания приводит к тому, что размеры ячеек делаются небольшими, что может обеспечить более высокую пропускную способность (емкость) на км2, чем это необходимо. В макроячейках зона обслуживания определяется дальностью действия по восходящему каналу, так как мощность передачи подвижной станции много меньше, чем у базовой станции макроячейки. Выходная мощность подвижной станции обычно составляет 21 дБм (125 мВт), а базовой станции в макроячейке -40-46 дБм (10-40 Вт) на сектор. Поэтому в секторе принимается в расчет зона обслуживания.

Результаты вычислений необходимой относительной плотности сайтов базовых станций при заданном улучшении рабочей характеристики канала представлены в таблице 10. Плотность базовых станций обратно пропорциональна площади ячейки. Например, при улучшении качества канала на 5,3 дБ, плотность базовых станций может быть уменьшена приблизительно на 50%.

Таблица 10

Факторы, оказывающие воздействие на получение максимальных потерь на трассе, можно видеть из рассмотрения ресурса каналов - смотри раздел 8.2, - они показаны на рисунке 7.

11. Зона охвата для восходящего канала

В этом разделе мы оцениваем влияние параметров физического уровня и решений по базовой станции на зону охвата (дальности действия) восходящего канала WCDMA.

Рисунок 7 - Факторы, воздействующие на зону охвата (дальности действия) восходящего канала

12. Скорость передачи

На величину зоны обслуживания при различных скоростях передачи оказывают влияние два фактора:

Для высоких скоростей передачи выигрыш в отношении сигнал-шум при обработке меньше, и зона обслуживания меньше

Для высоких скоростей передачи требующееся отношение Eb/N0, имеет тенденцию к снижению, компенсируя уменьшение зоны охвата при высоких скоростях. Чем ниже требование к Eb/N0 , тем требуется меньшая мощность для обеспечения тех же рабочих характеристик и тем больше может быть радиус ячейки. В этом разделе мы оцениваем зону обслуживания при различных скоростях передачи с учетом двух факторов. Основная причина того, что Eb/N0 зависит от скорости передачи, заключается в том, что необходимо, чтобы DPCCH (выделенный канал управления на физическом уровне) поддерживал соединение на физическом уровне, и он содержит опорные символы для оценки канала и биты сигнализации для управления мощностью. Параметр Eb/N0 зависит от точности канала и алгоритмов оценки SIR. Эти оценки основываются на опорных символах в DPCCH. Чем большая мощность может быть выделена для DPCCH, тем оценка канала выше. С другой стороны, DPCCH - это издержки, так как по нему не передаются данные пользователей, и поэтому его мощность должна быть минимальной. Разница мощностей в DPCCH и DPDCH (выделенный канал передачи данных на физическом уровне) может регулироваться и управляться сетью. Мощность DPCCH ниже, чем мощность DPDCH, когда в DPDCH идет передача данных. Величина разности мощностей представляется в виде 4 битов, т.е. получается 15 значений для разницы по мощности между -23,5 дБ и 0,00 дБ и 1 комбинация из 1 для отсутствия DPDCH, когда данные не передаются. Типичные значения для разницы по мощности приведены в таблице 11.

Таблица 11

Относительные уровни принимаемой мощности в DPCCH при различных скоростях передачи показаны на рис. 11. Различия по мощности в DPCCH и DPDCH взяты из таблицы 11. Предполагается, что Eb/N0 одинаковое для всех скоростей передачи. Принимаемая мощность в DPCCH будет выше для более высоких скоростей передачи. Чем больше принимаемая мощность в DPCCH, тем более точной будет оценка канала и лучше параметр Eb/N0.

Рисунок 8 - Относительная принимаемая мощность DPCCH при одном и том же Eb/N0

Рисунок 9 - Издержки на DPCCH

Издержки для различных скоростей передачи приведены на рис. 11.3. Например, при скорости передачи данных 144 кбит/с 20% мощности передачи расходуется на передачу управляющей информации на физическом уровне и 80% - для передачи данных. Издержки на DPCCH в данной книге включены во все значения Eb/N0.

Сейчас мы увидели, что для более высоких скоростей передачи мощность DPCCH выше, что позволяет произвести более точную оценку канала, а издержки на DPCCH все еще остаются небольшими. Оба эти фактора улучшают параметр Eb/N0.

Когда мы учитываем уменьшенный выигрыш при обработке и улучшение характеристики Eb/N0 мы можем оценить зону обслуживания при различных скоростях передачи, рисунок 10. Предполагается, что для всех скоростей передачи максимальная мощность подвижной станции остается постоянной, для высоких скоростей передачи используется улучшенная характеристика Eb/N0 и берется модель распространения в пригородной зоне. В этом примере дальность действия восходящего канала при скорости 2 Мбит/с составляет 50% от дальности действия при скорости 144 Кбит/с и 40% при скорости передачи 64 Кбит/с. Если для ячейки планируется передача со скоростью 2 Мбит/с для обеспечения полной зоны охвата по восходящему каналу вместо передачи со скоростью 144 Кбит/с, то плотность сайтов базовых станций должна быть увеличена на коэффициент (1/0,5)2=4,0.

Создание большой зоны охвата для восходящего канала при сервисе с высокой скоростью передачи достаточно сложно для UMTS, как видно из рисунка 10, и обеспечение полной зоны охвата при скорости 2 Мбит/с требует большой плотности сайтов базовых станций. Это также указывает на важность решений, позволяющих повысить дальность действия восходящих каналов в системах третьего поколения. В системах второго поколения вопросы, связанные с зоной обслуживания решаются проще, поскольку сервис обеспечивается с невысокими скоростями передачи данных.

И, наконец, следует отметить, что скорости передачи в восходящем канале могут уменьшаться во время соединения для увеличения дальности связи, когда подвижная станция выходит на максимальный уровень мощности передачи. Уменьшение скорости передачи возможно для услуг по передаче данных в нереальном времени, когда допускаются задержки, и для передачи речи с использованием AMR, который поддерживает различные скорости передачи от 4,75 кбит/с до 12,2 кбит/с.

Рисунок 10 - Дальность действия восходящего канала при различных скоростях передачи данных в пригородной зоне

13. Адаптивный многоскоростной речевой кодек

При использовании адаптивного многоскоростного речевого кодека (AMR) оказывается возможным переходить на более низкую скорость, если подвижная станция выходит из зоны обслуживания ячейки. Выигрыш в ресурсе канала при уменьшении скорости передачи при использовании AMR может быть вычислен следующим образом:

(3)

где разница по мощности между DPCCH и DPDCH предполагается равной -3,0 дБ при передаче речи с использованием AMR со скоростью 12,2 Кбит/с. Для более низких скоростей передачи AMR мощность DPCCH остается неизменной, тогда как мощность DPDCH меняется в зависимости от скорости передачи. Выигрыш для зоны обслуживания при уменьшении скорости передачи с 12,2 Кбит/с до 7,95 Кбит/с составляет 1,1 дБ, выигрыш при уменьшении скорости передачи с 12,2 Кбит/с до 4,75 Кбит/с составляет 2,3 дБ. Относительные дальности передачи в ячейке при различных скоростях передачи AMR показаны на рисунке 11.

Рисунок 11 - Относительная дальность действия восходящего канала для различных скоростей передачи речевого кодека AMR

14. Многолучевое разнесение

Мы можем понять влияние многолучевого разнесения на дальность действия восходящего канала, рассматривая пример результатов измерений характеристики Eb/N0 для двух различных многолучевых профилей: ITU A-канал пешехода с небольшим многолучевым разнесением и ITU A-канал подвижного средства со значительным большим многолучевым разнесением. ITU A-канал подвижного средства представляет собой канал с 5 отводами с режимом WCDMA и скоростью передачи 3,84 Мчип/с, а ITU A-канал пешехода представляет собой двух лучевой канал, где второй отвод очень слабый. Требующееся отношение Eb/N0 для передачи речи со скоростью 8 Кбит/с при перемежении 10 мс, разнесении приемной антенны и полной постоянной мощностью передачи при скорости движения 3 км/час показаны в таблице 12. Результаты моделирования для передачи речи со скоростью 8 Кбит/с в этом разделе даются с учетом перемежения 20 мс, и поэтому рабочая характеристика будет лучше, чем полученная здесь в результате моделирования.

В этом примере выигрыш при многолучевом разнесении составляет 2,8 дБ для восходящего канала. Вообще говоря, чем больше многолучевое разнесение, тем больше дальности связи. Степень возможного многолучевого разнесения зависит от среды, но также и от ширины полосы передачи. При широкополосном CDMA можно получать на приеме большее многолучевое разнесение, чем при узкополосном CDMA в той же среде.

Таблица 12

15. Разнесение приемной антенны

Выигрыш на 3 дБ в дальности связи может быть получен при разнесении приемной антенны, даже если ветви разнесения имеют полностью коррелированные замирания. Причина заключается в том, что сигналы от двух антенн могут когерентно складываться, в то время как тепловой шум приемника складывается не когерентно. Выигрыш в 3 дБ предполагает получение идеальной оценки канала при когерентном сложении. Этот выигрыш в 3 дБ получается вследствие того, что имеется больше ветвей приема, собирающих энергию, но за счет увеличения состава аппаратного оборудования в приемнике базовой станции. Кроме того, разнесение антенн дает выигрыш в отношении быстрых замираний, так как быстрые замирания слабо коррелируются в разнесенных антеннах. Разнесение антенн на приеме показано на рисунке 11. Разнесение антенн может быть получено в результате пространственного или поляризационного разнесения. Преимущество поляризационного разнесения заключается в том, что ветви разнесения не требуют пространственного разделения, и могут располагаться в одном физическом антенном корпусе. Кроме того, разнесенные антенны могут располагаться очень близко друг к другу лишь со слегка уменьшенным коэффициентом усиления при приеме на разнесенные антенны.

Результаты моделирования с использованием разнесения при приеме и без него при постоянной мощности представлены в таблице 13. Коэффициент усиления при приеме на разнесенные антенны в ITU A-канале для пешехода составляет 7,5 дБ. В ITU A-канале для подвижного средства коэффициент усиления меньше, составляет 4,3 дБ, поскольку имеется многолучевое распространение.

Рисунок 12 Поляризационное и пространственное разнесение антенн

Таблица 13

И, наконец, следует помнить о том, что чем больше имеющееся разнесение, тем меньше выигрыш от дополнительного разнесения. Это правило применимо для различных источников разнесения. Поэтому априорные значения для любых коэффициентов усиления при приеме на разнесенные антенны отсутствуют, так как коэффициенты усиления зависят от степени разнесения других источников разнесенного приема.

16. Зона обслуживания для канала случайного доступа

Если мы хотим увеличить зону обслуживания ячеек WCDMA, нам следует проверить, не являются ли выделенный или общий каналы фактором, ограничивающим зону обслуживания. Если в каких либо местах выделенный восходящий канал может обеспечить требующееся качество обслуживания, должна иметься также возможность получения сообщения RACH для того, чтобы можно было начать устанавливать соединение. В этом разделе дается сравнение зон обслуживания выделенного восходящего канала и канала RACH. Причины, создающие различия в зонах обслуживания выделенных каналов и RACH, приводятся в таблице 14.

Предполагается, что минимальное число бит, которое должно передаваться в первоначальном сообщении RACH, содержит 20 октетов = 160 бит, что соответствует скорости передачи 16 Кбит/с при перемежении 20 мс. RACH 10 мс и RACH 20 мс поддерживаются стандартным для сообщений RACH размером пакетов, равным 20 октетам. Период перемежения для сообщения RACH указывается мобильной станции по каналу BCCH.

Таблица 14

Выделенные каналы с высокой скоростью передачи имеют меньшую зону обслуживания по сравнению с RACH, и поэтому зону обслуживанияRACH следует проверять по выделенным каналам с низкой скоростью передачи, например, по речевому кодеку AMR со скоростями передачи 4,75- 12,2 кбит/с.

Мягкий хэндовер не возможно осуществлять по общим каналам, и никакого выигрыша при использовании макроразнесения для RACH не может быть получено. Кроме того, прием коротких пакетов RACH более сложен, чем прием пакетов непрерывного выделенного канала. Все эти факторы приводят к тому, что зона обслуживания RACH меньше, чем у DCH при одинаковой скорости передачи. С другой стороны, для RACH может быть большая допустимая FER. Недостатком большой FER является большая задержка при установлении вызова. Средней величиной FER можно управлять с помощью параметров, задаваемых по BCCH.

Подходящие опции RACH, согласующихся с выделенными каналами, представлены в таблице 15 с учетом всех перечисленных выше различий.

Таблица 15

Опция RACH 20 мс должна использоваться только в больших ячейках для улучшения зоны обслуживания RACH. Отношение Eb/N0 хуже для RACH 20 мс, чем для RACH 10 мс, и поэтому более короткий RACH 10 мс лучше для увеличения пропускной способности в восходящем канале. Причина ухудшения работы при RACH с большей длительностью состоит в том, что управление мощностью во время RACH не может производиться, а мощность передается только преамбулой до передачи сообщения RACH. Канал может изменяться при RACH 20 мс в большей степени, чем при RACH 10 мс.

Зона обслуживания для передачи сообщений RACH является важным параметром, если планируется, что сеть будет обеспечивать непрерывную зону обслуживания при сервисе с низкими скоростями передачи. С другой стороны, если планируется, что сеть будет обеспечивать сервис с высокими скоростями передачи, то зона обслуживания RACH не будет являться ограничивающим фактором, и может использоваться RACH 10 мс.

17. Зона обслуживания для нисходящего канала

В нисходящем канале мощность, допускаемая для одного соединения, может быть больше, чем в восходящем канале, поскольку уровень выходной мощности базовой станции может быть больше, чем уровень выходной мощности подвижной станции. Поэтому зона обслуживания для услуг с высокими скоростями передачи в нисходящем канале больше, чем в восходящем канале. Величина зоны обслуживания [дальность действия] восходящего канала показана на рисунке 14.

Ниже проведено сравнение зоны охвата для нисходящего канала при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с и данных со скоростью 1 Мбит/с. При сравнении сделаны следующие допущения:

Размер ячейки определяется зоной обслуживания восходящего канала при передаче речи

Чувствительность при приеме восходящего канала на базовой станции на 6 дБ выше, чем при приеме нисходящего канала благодаря меньшему коэффициенту шума и разнесению антенн

При передаче данных со скоростью 1 Мбит/с отношение Eb/N0 на 3 дБ ниже, чем при передаче речи

Речевые терминалы имеют потери из-за влияния тела человека на 3дБ больше, чем терминалы, используемые при передаче данных со скоростью 1 Мбит/с.

Необходимая средняя мощность передачи в нисходящем канале для передачи речи, по оценкам, составляет 27дБм, а для соединения при передаче данных со скоростью 1 Мбит/с - около 40 дБм (=10Вт) для получения полной зоны обслуживания в нисходящем канале, если размер ячейки планируется с ориентацией на передачу речи в восходящем канале. Расчеты представлены в таблице 15. Обеспечение мощности 10 Вт в нисходящем канале для одного пользователя, ведущего передачу с большой скоростью, вполне возможно в случае, когда нет других пользователей, запрашивающих высокую пропускную способность в этой ячейке, т.е. в случае ограничения по зоне обслуживания. Практически зона обслуживания для нисходящего канала с высокой скоростью передачи порядка 1-2 Мбит/c зависит от:

Размаха восходящего канала: битовой скорости, для которой предусмотрена зона обслуживания ячейки

Параметров усилителя мощности в нисходящем канале

Нагрузки в соседней ячейке.

Таблица 15

Если планируется, что ячейка будет обеспечивать высокие скорости передачи данных также и в восходящем канале на краю ячейки, то ячейка будет меньше, и тогда обслуживание в зоне для нисходящего канала также будет лучше. Нагрузка в соседней ячейке влияет на возможность получения соединения при большой скорости передачи на краю ячейки. Большое число пользователей с высокими скоростями передачи с постоянной зоной обслуживания требует большой пропускной способности.

Рассмотрение зоны обслуживания для нисходящего канала производилось в основном в расчете на базовые станции макроячеек, где максимальная выходная мощность составляет порядка 43 дБм. Для маломощных базовых станций микро-и пикоячеек зона обслуживания может также иметь ограничение по нисходящему каналу.

18. Увеличение зоны обслуживания

Могут использоваться следующие способы увеличения зоны обслуживания по восходящему каналу для сайта базовой станции WCDMA:

Уменьшение отношения Eb/N0 за счет усовершенствования алгоритмов работы базовых станций в основной полосе частот или за счет увеличения числа приемных антенн

Уменьшение коэффициента шума в высокочастотных каскадах базовой станции

Уменьшение потерь в кабеле между антеннами и малошумящим усилителем базовой станции

Уменьшение запаса по помехам, т.е. достижение максимальной допустимой пропускной способности в восходящем канале

Увеличение коэффициента усиления антенн

Отношение Eb/N0 на базовой станции может быть уменьшено. Наиболее важными методами являются увеличение числа ветвей разнесения приемника и оптимизация алгоритмов работы приемников базовых станций в основной полосе частот. Коэффициент шумов базовой станции может быть уменьшен за счет улучшения радиочастотных элементов базовой станции. Потери в кабеле можно уменьшить, выбирая кабели большого диаметра или применяя установку предварительного усилителя на мачте. Типичные потери в кабеле составляют 6 дБ на 100 м.

В системе WCDMA пропускная способность и зона обслуживания связаны друг с другом, как показано разделе 8.2. Зона обслуживания для восходящего канала может быть увеличена за счет уменьшения пропускной способности восходящего канала, что позволяет снизить запас по помехам. Например, снижение максимальной нагрузки в восходящем канале с 50% до30% уменьшает необходимый запас по помехам с 3,0 дБ до 1,5 дБ и тем самым дает выигрыш для зоны обслуживания на 1,5 дБ в отношении ресурсов канала. Нагрузка поддерживается в запланированных пределах при применении алгоритмов управления радиоресурсами в реальном масштабе времени, как показано в главе 9. Другими способом уменьшения запаса по помехам является использование подавления помех или мультипользовательский прием на базовой станции.

Для увеличения зоны обслуживания могут применяться антенны с более высоким коэффициентом усиления. Зона обслуживания может расширяться за счет увеличения числа секторов и сужения диаграммы направленности антенн в горизонтальном направлении. Увеличения коэффициента усиления антенн также можно добиться путем сужения вертикального луча антенн. Обычно максимальный коэффициент усиления для трехсекторной антенны составляет 18 дБн при предположении ширины вертикального луча, равной 6?. Коэффициент усиления антенны может быть увеличен с помощью решений, связанных с применением адаптивных антенн.

19. Определение времени передачи пакета

Время передачи (обслуживания) при обслуживании пакетов, является величиной постоянной и определяется:

= tобсл = (Lи + Lсл)/Rk (4);

= tобсл = (1000 · 103 + 300) / 128 · 103 = 7,815 с.

где: Lи - длина информационной части пакета, бит;

Lсл - служебные биты (преамбула и концевик) пакета, бит;

k - пропускная способность тракта между маршрутизаторами, бит/с;

tобсл - время обслуживания; - время передачи.

Коэффициент использования Кисп, который находится по формуле:

 (5);

где: m - число абонентов, установивших связь с выходным

маршрутизатором;

Rи - скорость передачи данных от терминала, бит/с.

Оценка времени запаздывания

Среднее время запаздывания m(T) с учетом (2) примет вид:

(6);

с.

Типичные значения вероятностей перехода равны р = 0,9 и х = 0,3, что соответствует случаю, когда 60 % времени последовательность находится в состоянии 2 (оба собеседника молчат) или 3 (говорит один из собеседников), т.е. канал используется только на 40 %.

Оценка средней задержки:

1. при постоянном прибытии пакетов (модель М/D/1) можно определить по формуле:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(7);

с.

2. при поступлении пакетов по закону Пуассона (модель М/М/1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

(8);

Lполн = Lи + Lсл = 1000 · 103 + 300 = 1000300 бит. (9);

с.

3. при поступлении пакетов по геометрическому закону (модель М/G/1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

(10);

с.

Общая задержка. Для оценки качества передачи речи по сети необходимо знать общую задержку, которая является суммой средней задержки в очереди, задержки в кодеке и задержке пакетирования.

Результирующая задержка m(T) складывается из задержки в очереди m(T), задержки пакетизации з и алгоритмической задержки кодер в кодерах речи:

з = (Lи + Lсл)/Rи = (1000 · 103 + 300) / 5600 = 178,625 с.

m(T) = m(T) + з+ кодер = m(T) + (Lи + Lсл)/Rи + кодер (10);

m(T) = 7,343 + 178,625 + 0,035 = 186,003 с.

Таблица 16 - Значения типовой алгоритмической задержки в низкоскоростных кодерах.

Rи, кбит/с	5,6	8	16	24	32	48	64
кодер, мс	35	15	5	3	2	1	0,75

20. Оптимизация длины пакета

Для определения оптимальной длины пакета достаточно определить оптимальную длину информационной части пакета, т. К. служебная часть речевого пакета является постоянной. Оптимальная длина пакета может быть найдена из решения уравнения

Dm(T)/dLи= 0 (11);

После выполнения необходимого преобразования оптимальная длина информационной части пакета определяется по формуле [1]:

Lиопт = Lcл · [k / (1 - k)] · (1 + F) (12);

k = (m · Rи) / (2 · Rк) (13);

k = (16 · 5600) / (2 · 128 · 103) = 0,35.

Lиопт = 300 · [0,35 / (1 - 0,35)] · (1 + 0,494) = 241,261 241 бит.

Оптимальное время запаздывания определяется по формуле 13:

mTУ = 0.093 c.

21. Оценка разборчивости речи

При передаче речевых сигналов по цифровым системам передачи наиболее характерными являются следующие составляющие погрешностей: шумы квантования и шумы дискретизации и восстановления, а также аддитивным шумом в канале связи. На практике более удобной является характеристика отношения сигнал - шум ОСШ, соответственно ОСШД, ОСШКВ и ОСШКС. Качество восстановление речи наиболее часто оценивается слоговой разборчивостью - S, %.

Таким образом, для анализа качества передачи речи необходимо оценить отношение мощности сигнала к суммарной мощности шума - ОСШ и знать взаимосвязь между ОСШ и S.

Отношение суммарной мощности сигнала по отношению к мощности шумов оценивается величиной:

ОСШ = 10·lg[10 - ОСШкс/10 + 10 - ОСШкв/10 + 10 - ОСШД/10] (15);

ОСШ = 10·lg[10 - 40/10 + 10 6/10 + 10 - 25/10] = 6,004 дБ.

где: ОСШкс отношение сигнал - шум канала связи,

ОСШД отношение сигнал - шум дискретизации,

ОСШкв отношение сигнал - шум квантования.

Зависимость слоговой разборчивости от отношения мощности сигнала к суммарной мощности шумов ОСШ имеет вид:

S = 23 + 81·[1 - exp(0,05·ОСШ)] (16);

S = 23 + 81·[1 - exp(0,05 · 6,004)] = -5,358 %.

Разборчивость слов W оценивается по формуле:

...