Организация высокоскоростного беспроводного доступа по технологии LTE в д. Маевка, Зеленодольском районе, Республике Татарстан

Содержание
Введение
Глава 1. Развитие технологии LTE
1.1 Значение развития высокоскоростного беспроводного доступа в современном мире
1.2 Сравнение технологий LTE, Wi-Fi и WIMAX
1.3 Основные принципы работы технологии LTE
1.4 Архитектура технологий LTE
Глава 2. Анализ существующей сети связи в д. Маевка, Зеленодольского района, Республика Татарстан
2.1 Описание текущей инфраструктуры связи
2.2 Проблемы и ограничения существующей сети
2.3 Потребности населения в высокоскоростном интернете
Глава 3. Организации сети LTE в д. Маевка, Зеленодольского района, Республика Татарстан
3.1 Сравнительный анализ оборудования мировых производителей
3.2 Выбор оборудования БС LTE
3.3. Расчет пропускной способности
3.4 Расчет количества потенциальных абонентов
3.5 Анализ радиопокрытия в д. Маевка
Глава 4: Проектирование схемы организации сети LTE
4.1 План размещения оборудования и базовых станций
4.2 Структурная схема подключения сети.
4.3 Оптимизация сети для обеспечения максимального покрытия
Заключение
Библиографический список

Введение

В современную эпоху реальности проблема переключения с сети с коммутацией каналов на сеть с коммутацией пакетов является одной из наиболее актуальных проблем для операторов связи. Достижения в области телекоммуникаций предполагают разработку сетей следующего поколения, создание интегрированных решений, которые могут поддерживать существующие соединения и обеспечивать бесперебойную работу во всех сетях телефонного доступа.
Между тем глобальная система сетей следующего поколения проигрывает традиционной цифровой телефонной сети с переключением каналов, то есть с передачей голосовой информации: задержка значительно увеличивается, узкополосные кодеки искажают звук. С другой стороны, переход на пакетную коммутацию позволяет игнорировать снижение качества передачи голоса.Почти все другие приложения, не связанные с межличностной голосовой связью, лучше реализуются в сетях с пакетной коммутацией. Сейчас, в дополнение к растущей зависимости от Интернета в различных слоях общества, растет спрос и популярность мобильных приложений и сервисов. Вот почему вам необходимо создать более надежное широкополосное соединение, которое можно использовать в любое время и в любом месте. Это широкополосное соединение представляет собой соединение 4G (4G-модем). Как правило, оно обеспечивает высокую скорость передачи данных при одновременном снижении затрат на обслуживание коммуникационного оборудования. Одной из таких технологий является технология долгосрочной эволюции. Операторы мобильной связи модернизируют свою беспроводную инфраструктуру благодаря возможности очень эффективно доставлять контент потребителям.
Целью выпускной квалификационной работы является проектирование базовой станции д. Маевка, Зеленодольского района, республики Татарстан и предоставление абонентам услуг связи посредством технологии высокоскоростного беспроводного доступа LTE. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Анализ существующей инфраструктуры сети связи в выбранном регионе;
Выбор оборудования базовой станции;
План размещения оборудования и базовых станций;
Расчет пропускной способности и анализ радиопокрытия в населенном пункте;
Проектирование схемы организации сети LTE.
Работа состоит из 4 глав. Они решают все задачи, описанные мной ранее.
Глава 1 посвящена описанию общей информации о развитии технологии LTE. Глава 2 посвящена анализу существующей сети связи в д. Маевка. В главе выполнялись наблюдения по существующим базовым станциям, наличию интернета и связи. Глава 3 посвящена организации сети LTE в д. Маевка, выбору оборудования и расчетам пропускной способности, количества потенциальных абонентов, а также анализу радиопокрытия в д. Маевка. В главе 4 я провожу проектирование базовой станции, нахожу оптимальное расположение для неё в д. Маевка. В моей работе присутствуют чертежи ситуационного плана, общего вида столба, схемы установки оборудования, проектирование трубостойки на столбе. Также представлены таблица соединений и сводная таблица кабелей.

Глава 1. Развитие технологии LTE.

1.1 Значение развития высокоскоростного беспроводного доступа в современном мире.

Стремительное развитие технологий беспроводных сетей сделало их применимыми во всех сферах нашей жизни - дома, на работе, в транспорте и на отдыхе. Причина в том, что беспроводные сети имеют неоспоримые преимущества перед проводными сетями.
Сильная сторона.
«Легкое создание и расширение – это основной плюс беспроводной сети Wi-Fi. Создание и расширение сети не требует больших финансовых вложений и временных затрат.
Простота настройки. Какой бы масштабной не была беспроводная сеть Wi-Fi, настройку можно осуществить разово с одного централизованного контроллера, а в случае добавления новых устройств в уже существующую сеть их обнаружение и настройка происходит автоматически.
Мобильность. Учитывая тот факт, что для подключения к интернету люди пользуются преимущественно мобильными телефонами, планшетами и ноутбуками со встроенным Wi-Fi модулями, выбор в пользу Wi-Fi сетей очевиден. Да и скорость беспроводного подключения к Интернету значительно выше, чем могут предоставить привычные 3G/4G модемы.» [5].
Oбopудoвaниe для бecпpoвoдных ceтeй
Ocнoвными элeмeнтaми бecпpoвoднoй ceти являютcя мapшpутизaтopы (routers), тoчки дocтупa, кoммутатopы и кoнтpoллepы, aнтeнны и aдaптepы.
С чего все это началось?
В 1985 году Федеральная комиссия по связи выделила радиочастотный спектр, который можно было использовать без лицензии. Другие страны также присоединились к этой инициативе, освободив руки исследовательским лабораториям и частным компаниям.
В 1990 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники) получил сертификат стандарта 802.11 для беспроводных устройств и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц.
Эта технология пoзвoляeт пepeдaвaть дaнныe co cкopocтью 2 Мбит/с, но для коммерческих сетей этого уже недостаточно. Кроме того, диапазон беспроводных сетей невелик, а оборудование дорогое. Однако IEEE продолжала работать над стандартом и два года спустя выпустила новое поколение, заложив фундамент для будущего успеха.
Paзвитие.
В 1999 году стало возможным расширение стандарта 802.11b. Диапазон радиочастот составляет 2,4 ГГц, а скорость передачи данных была увеличена в 5 раз до 11 Мбит/с. Это соответствует базовому значению Ethernet, которое позволяет интегрировать беспроводные маршрутизаторы в большие сети.
На рынке стало появляться множество производителей. Чтобы сделать свои устройства совместимыми друг с другом, лидеры отрасли создали организацию Weca(Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Этa opгaнизaция дала стaндapту нaзвaние WiFi- cокращенно Wireless Fidelity (беспроводная точность). Позже сама организация приняла название WiFi Alliance. На данный момент она включает 320 организаций со всего мира.
Выход на новый уровень.
Одним из важных этапов развития Wi-Fi стал переход на стандарт 802.11a в 2001 году. В отличие от предыдущих поколений, поддержка этого диапазона была изменена на 5 ГГц. — Вот почему увеличилось количество каналов, подключаемых параллельно другими устройствами.
Предыдущие поколения Wi-Fi обеспечивали 14 каналов, из которых только три были непересекающимися. Но даже этого недостаточно, потому что в начале 21 века количество электронных устройств увеличилось. Кроме того, соседние маршрутизаторы создают перекрестные помехи, которые задерживают передачу пакетов данных, а устройства Bluetooth и микроволновые печи создают помехи в работе сети.
Благодаря диапазону частот 5 ГГц количество неперекрывающихся каналов увеличилось до 17. Таким образом достигается фактическая пропускная способность около 20 Мбит/с. Устройства с поддержкой Wi-Fi стандарта 802.11a особенно популярны в корпоративном секторе.
Недостатком Wi-Fi с частотой 5 ГГц является то, что сигналы с более короткими длинами волн слабее преодолевают препятствия на своем пути (например, стены и внутренние перегородки). Это приводит к нестабильному подключению устройства удаленно от маршрутизатора. Вот почему разработка стандартов, работающих на каналах с частотой 2,4 ГГц, не прекращается. В 2003 году появился WiFi802.11g. Он также обеспечивает скорость до 54 Мбит/с и больший рабочий радиус.
В 2009 году был выпущен стандарт 802.11n, поддерживающий два диапазона частот (2,4 и 5 ГГц). Ширина канала становится 40 МГц, а пропускная способность - 150 Мбит/с частотой 5 ГГц. Теоретически максимальное значение составляет 600 Мбит/с.
Наконец, в стандарте появилась технология mimo (множественные входы, множественные выходы), с помощью которой по одному каналу передавалось несколько потоков данных. Это требует установки нескольких антенн в маршрутизаторе.
Граница гигабита.
В том же 2009 году было сертифицировано расширение 802.11ad. Диапазон рабочих частот увеличен до 60 ГГц, а ширина канала увеличена до 2,16 ГГц - это в 54 раза больше, чем у стандарта 802.11N. Таким простым способом можно достичь пропускной способности в 6,7 Гбит/с.
Нетрудно догадаться, в чем проблема этой технологии: рабочий радиус составляет всего несколько метров. Поэтому WiGig считается альтернативой Bluetooth и надеется, что он подойдет для беспроводной потоковой передачи видео, нaпримep, с нoутбука на тeлeвизop или с кaмepы нaблюдeния нa cepвep.
Другой высокоскоростной стандарт, 802.11ac, был запущен в 2014 году и широко используется обычными пользователями. Он имеет рабочую частоту 5 ГГц и обратно совместим с 802.11n и 802.11A.
Ширина канала увеличена до 160 МГц, а минимальная пропускная способность достигает 433 Мбит/с. Пока что доминирующим стандартом является 802.11ac, но эта ситуация скоро изменится. В конце концов, уже доступно новое поколение, которое лучше во всех отношениях.
Шестое поколение.
Два года назад WiFi Alliance утвердил стандарт 802.11ax, под названием WiFi. Он включает в себя полный набор улучшений, которые могут увеличить скорость передачи данных, удалить беспроводные сети и сэкономить на стоимости подключения устройств.
Маршрутизаторы, поддерживающие WiFi6, будут обеспечивать 10-битное кодирование сигнала (ранее 8 бит). Одно только это нововведение может увеличить плотность передачи данных в диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц на 25%.
Физический предел скорости нового стандарта достиг 9,6 Гбит/с, но на самом деле получить такое значение невозможно — существующая инфраструктура просто не может обеспечить достаточную пропускную способность. Поэтому провайдерам следует обновить его, чтобы раскрыть потенциал технологии.
В то же время WiFi снизит энергопотребление клиентского оборудования. Во время доступа маршрутизатор устанавливает интервал, после которого WiFi-приемник переходит в спящий режим без другого пакета данных.
Стандарт также улучшил работу со многими клиентами. Технология OFDMA делит каналы передачи на подканалы и динамически распределяет их между потребителями. Это устраняет конкуренцию со стороны потребителей по каналам. Можно подключить до 74 устройств, и все устройства будут получать данные параллельно.
Мы не забыли о проблеме перекрестных разговоров. WiFi научился использовать функцию затенения bss, чтобы отличать пакеты данных в своей собственной сети от пакетов данных из соседних сетей: теперь каждый пакет данных имеет цифровую подпись для конкретной сети. Это позволит избежать ситуации, когда маршрутизатор ожидает освобождения канала, даже если он не загружен в его сеть.
Однако существует более фундаментальное усовершенствование, направленное на удаление беспроводных сетей. Он даже был выделен в отдельный стандарт, который откроет новые возможности для пользователей и инженеров.
Новая эра.
Количество сетей Wi-Fi, передаваемых через них данных и подключенных клиентских устройств быстро растет. Новые отрасли, такие как Интернет вещей, только ускорили этот процесс, и вскоре диапазона 5 ГГц будет недостаточно для достижения комфортной работы - сеть будет загружена до предела.
Опять же, количество каналов необходимо увеличить. Стандарт WiFi имеет 20 МГц каждый.
Поддерживает все технологии, ранее использовавшиеся для балансировки сетевой нагрузки: MU-MIMO, OFDMA и BSS Color. Это обеспечит бесперебойную и параллельную работу десятков гаджетов, от смартфонов и ноутбуков до интеллектуальных лампочек и холодильников.

1.2 Сравнение технологий LTE, Wi-Fi и WIMAX

«Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость — термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету (каналу обмена данными). Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.» [2].
Таблица 1. Сравнения стандартов беспроводной связи.

Сопоставление LTE и WiMax

«Основные технические характеристики сетей связи четвертого поколения приведены в таблице 2, из которой следует, что стандарты LTE-А и WiMAX-2 являются практически равноценными по большинству параметров. Кроме того, оба стандарта поддерживают схему MIMO с обратной связью (Closed Loop MIMO – CL-MIMO), при использовании которой в приемнике оцениваются характеристики канала распространения радиоволн, после чего информация о характеристиках канала посылается от приемника к передатчику. Это позволяет сформировать оптимальные диаграммы направленности многоэлементных антенн на передающей и приемной сторонах, так, чтобы пространственные каналы наименьшим образом интерферировали между собой, что значительно повышает энергетический бюджет соединения.» [3].

Таблица 2. Основные технические характеристики стандартов 4G.

Таким образом, технологии LTE-А и WiMAX-2 теоретически позволяют обеспечить сравнимую скорость передачи информации. С другой стороны, рассматриваемые технологии имеют некоторые отличия, представленные ниже.
Базовая структура сети WiMax основана на использовании трех частотных каналов и трехсекторной конфигурации сот. При этом в каждом из секторов сети WiMax используется один из трех частотных каналов (коэффициент переиспользования частот равен 3), что показано на рис.1а.
Коэффициент переиспользования частот для базовой структуры сети LTE равен 1, т. е. все базовые станции работают на одной несущей. В этом случае внутрисистемные помехи минимизируются с помощью гибкого частотного плана, один из вариантов которого представлен на рис. 1, б. Для пользователей в центре любой соты могут выделяться ресурсы из всей полосы канала (серая зона), таким образом, технология LTEболее эффективно использует выделенный спектр, чем WiMAX. Пользователям на краях сот выделяются разные частотные блоки (указаны соответствующим цветом на рис. 1, б), что позволяет минимизировать внутрисистемные помехи.
Таким образом, технологии LTE-A и WiMAX-2 теоретически обеспечивают сопоставимые скорости передачи данных. С другой стороны, существуют некоторые различия в методах, рассмотренных ниже.
Базовая структура сети WiMAX основана на конфигурации ячеек, которые используют три частотных канала и имеют три сегмента. В то же время каждый сегмент сети WiMAX использует один из трех частотных каналов (коэффициент повторного использования частоты равен 3), как показано на рисунке.1а．
Коэффициент повторного использования частоты, используемый в базовой структуре сети LTE, равен 1, что означает, что все базовые станции работают с одним оператором. В этом случае используется гибкая частотная схема для минимизации помех в системе, и один из вариантов показан на рисунке. 1б. Для пользователей во всех центрах сотовой связи ресурсы могут быть распределены во всей полосе частот канала (серая область). Таким образом, эта технология использует выделенный спектр более эффективно, чем Wimax. В зависимости от границы ячейки (обозначенной соответствующим цветом на рисунке) пользователю назначаются различные частотные блоки. 1.б), что сводит к минимуму помехи в системе.


а б
Рис. 1. Переиспользование частот в сетях WiMax и LTE
Сетевая инфраструктура wimax проще, чем сетей LTE, поэтому она более надежна с технической точки зрения. С другой стороны, сети lte соответствуют предыдущим поколениям стандартов сотовой связи - GSM и UMTS. Например, сети lte могут использовать ресурсы сетей gsm и UMTS для передачи голоса, которые практически везде внедрены в России. Благодаря вышеуказанным преимуществам технология lte в настоящее время используется большинством операторов связи для создания сетей 4G в Российской Федерации. Напротив, технология WiMAX не получила широкого распространения в России.

1.3 Основные принципы работы технологии LTE.

«Сотовые сети стандарта GSM по своей структуре изначально не были предназначены для мобильного интернета. Соответственно, в наши дни операторы сотовой связи вынуждены с целью удовлетворения потребностей населения вкладывать огромные деньги в модернизацию своих сетей до 3G (UMTS), а теперь уже и до 4G (LTE). Само собой, данные капиталовложения сотовые компании щедро заимствуют из наших с вами карманов, однако их работа тоже при этом весьма нелегка. Сейчас, когда внедрение сетей третьего поколения еще до конца в России не закончено, операторы уже приступили к работе над сетями следующего поколения – 4G или LTE.» [9]. На фотографии ниже представлена первая базовая станция LTE от Yota в Сочи:


Сам термин LTE расшифровывается как long-term evolution, что в переводе на русский означает "долгосрочная эволюция". Долгое время стандарт WiMAX претендовал на роль связи 4g, но затем он был понижен до менее популярного варианта быстрого беспроводного интернета.

MIMO - это своего рода использование N антенн и прием данных антеннами M. В этом случае прием и передача антенн разделены такими расстояниями, что достигается слабая связь между соседними антеннами. В настоящее время местоположение и диапазон частот LTE в эфире зарезервированы для сетей 4G. Частоты в диапазоне 2,3 ГГц считаются наиболее приоритетными. Ключевым примером здесь является Китай, где оператором мобильной связи является China mobile, который предоставляет необходимый диапазон частот и проводит экспериментальные трансляции. Из-за интенсивного использования местной мобильной связи использование этой скорости направлено на достижение успеха и превосходства в Китае. Другой диапазон частот - 2,5 ГГц, используемый в Соединенных Штатах, Европе, Японии и Индии. Существует также диапазон частот в регионе 2,1 МГЦ, но он намного меньше - всего 15 МГЦ доступно из диапазона 2.1 ГГц, а большинство европейских операторов мобильной связи сокращают диапазон частот до 5 МГц.
В дальнейшем диапазон частот 3,5 ГГц может использоваться чаще. Это связано с тем, что сети беспроводного широкополосного доступа в Интернет уже используются на этих частотах в большинстве стран, и благодаря переходу на LTE операторы могут повторно использовать свои частоты, не покупая новые дорогостоящие. При необходимости сети LTE могут быть выделены другие диапазоны частот. Что касается полос частот и методов распространения, используемых в LTE, то здесь все очень неясно и двойственно, поскольку сам стандарт очень гибкий. В другой структуре сеть четвертого поколения может быть основана на полосе частот в диапазоне от 1,4 до 20 МГц, а не на фиксированных 5 МГц в 3g (UMTS). Вы также можете одновременно использовать временное разделение сигнала tdd (time division duplex- дуплексный канал с разделением по времени) и частотное разделение-FDD (frequency division duplex-дуплексный канал с разделением по частоте). Например, строящаяся в Китае сеть LTE соответствует стандарту TD-LTE.
Зоны обслуживания базовых станций сети могут сильно различаться. Обычно это около 5 километров, но в некоторых случаях может достигать 30 или даже 100 километров, если антенна базовой станции (сектора) расположена высоко. Еще одним положительным отличием является большая дальность действия терминала. В дополнение к мобильным телефонам, сети LTE используют другие устройства, такие как ноутбуки, планшеты, игровые консоли и камеры с модулями сетевой поддержки. Поскольку технология LTE поддерживает коммутацию и роуминг в мобильных сетях предыдущего поколения, эти устройства способны работать в сетях с частотой 2 ГГц/3 ГГц.

Зона обслуживания базовой станции сети LTE может быть разной. Обычно она составляет около 5 км, но в ряде случаев она может быть увеличена до 30 и даже 100 км, в случае высокого расположения антенн (секторов) базовой станции. Другое позитивное отличие LTE – большой выбор терминалов. Помимо сотовых телефонов, в сетях LTEбудут использоваться многие другие устройства, такие как ноутбуки, планшетные компьютеры, игровые устройства и видеокамеры, снабженные встроенным модулем поддержки сетей LTE. А так как технология LTE обладает поддержкой хендовера и роуминга с сотовыми сетями предыдущих поколений, все данные устройства смогут работать и в сетях 2G/3G.

1.4 Архитектура технологий LTE.

«Архитектура сети LTE. На этой странице описывается архитектура сети с системными LTE элементами. Архитектура LTE состоит из LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Вступление: Стандарт LTE был опубликован компанией 3GPP как расширение технологий UMTS (на основе стандарта 3GPP) и 1xEV-DO (на основе стандарта 3GPP2). LTE в основном предназначен для высокоскоростных приложений передачи данных как по восходящей, так и по нисходящей линии связи. Сеть LTEобеспечивает скорость передачи данных около 300 Мбит/с по нисходящей линии связи и около 75 Мбит/с по восходящей.» [2]. Голос через LTE (VoLTE) может поддерживаться в будущем. В настоящее время разрабатываются различные методы, некоторые из которых включают VOIP, который является несуществующим вариантом резервного копирования существующих беспроводных сетей. Сети LTE также называются сетями 4G. Он использует модуляцию SC-FDMA в восходящей линии связи (UE-eNB) и OFDMA в нисходящей линии связи (eNB-UEs).
Архитектура LTE

Как показано на рисунке, LTE SAE (evolved system architecture) состоит из LTE, enodeb и epc (разработанный базовый файл). Это полноценный веб-сайт. Основная структура сети состоит из следующих элементов:
1. LTE EUTRAN (эволюционировавшее универсальное наземное радио)
2. Усовершенствованное пакетное ядро LTE.
LTE EUTRAN
Это стандарт сети радиодоступа, разработанный для замены UMTS, HSDPA и HSUPA. В отличие от HSPA, E-UTRA от LTE – этот интерфейс является совершенно новым. Он оптимизирован для высокоскоростной передачи данных, а именно для передачи небольших и облегченных пакетных данных. EUTRAN (эволюционировавшее универсальное наземное радио) состоит из eNB (базовой станции). EUTRAN отвечает за полное управление радиосвязью LTE. Когда питание UE включено, eNB отвечает за управление радиоресурсами, это значит, что он должен управлять радиопередатчиком, контролировать доступ к радиосвязи и выделять UE восходящие и нисходящие линии связи. Когда пакет из UE поступает в eNB, eNB сжимает IP-заголовок и зашифровывает поток информации. Он также отвечает за добавление заголовка GTP-U в полезную нагрузку и отправку его в SGW. Плоскость управления должна быть настроена до фактической отправки данных. ENB отвечает за выбор MME с помощью функции выбора MME. О QoS заботится eNB, поскольку это единственное средство на радиостанцииДругие функции включают поиск сообщений, планирование и передачу широковещательных сообщений, а также управление скоростью на уровне мультимедиа, также выполняемое eNB. LTE Evolution Packet Core (EPC) Архитектура LTE EPC состоит из MME, SGW, PGW, HSS и PCRF. Организация по управлению мобильностью (mme): MME - это управляющая организация. Она отвечает за все операции на плоскости управления. Вся передача сигналов NAS начинается в UE и заканчивается в MME. MME также отвечает за управление списком областей отслеживания, выбор PGW/SGW и выбор других Mme во время передачи. Кроме этого, MME отвечает за выбор SGSN (узла службы поддержки GPRS) при переходе с LTE на 2G/3g, UE также сертифицирован MME, и MME несет ответственность за функции управления передающими устройствами, включая создание выделенного передающего оборудования для всего потока трафика сигнализации.
Сервисный шлюз (SGW):
Сервисный шлюз завершает соединение с EUTRAN. Для каждого UE существует часть GW, связанная с EPS в данный момент времени. SGW действует как локальная мобильная организация для передачи данных между enbs. Он также действует как опора мобильности для межсетевой мобильности 3gpp. SGW отвечает за маршрутизацию и пересылку пакетов данных путем буферизации пакетов данных нисходящей линии связи. Поскольку eNB отвечает за маркировку пакетов данных восходящей линии связи, SGW отвечает за маркировку пакетов данных нисходящей линии связи.
Шлюз PDN (PGW):
PGW завершает подключение от интерфейса SGi к PDN. PGW отвечает за все операции на основе IP-пакетов, такие как глубокая проверка пакетов, распределение IP-адресов UE, маркировка пакетов транспортного уровня в восходящей и нисходящей линиях связи, учет и т.д. PGW cвязывaeтся с PCRF для oпpeдeлeния QoS опepaтopa. Он же несет ответственность за соблюдение стaндapтов UL и DL.
Основной пользовательский сервер:
HSS - это центральная база данных, содержащая информацию о пользователях и подписках. Она включает управление мобильностью, поддержку настроек вызовов и сеансов, аутентификацию пользователей и авторизацию доступа. Она также содержит информацию о доменных именах, к которым пользователи могут подключаться. Он также содержит динамическую информацию, такую как идентификатор Mme, к которому пользователь в данный момент подключен или зарегистрирован. Вы также можете интегрировать центр аутентификации для генерации векторов для ключей аутентификации и безопасности.
Функция контроля политики начисления и правил (PCRF):
PCRF отвечает за принятие управленческих решений по политике и управление функциями начисления на основе трафика, поступающего в функцию выполнения политики (PCEF) P-GW. PCRF обеспечивает авторизацию QoS (идентификатор класса QoS и скорость передачи данных), которая определяет, как конкретный поток данных будет обрабатываться в PCEF, и гарантирует, что это соответствует профилю подписки пользователя.
Усовершенствованная архитектура LTE


«Усовершенствованная архитектура LTE для E-UTRAN состоит из P-GW, S-GW, MME, S1-MME, eNB, HeNB, HeNB-GW, узла ретрансляции и т.д. Стек расширенных протоколов LTE состоит из пользовательского уровня и уровня управления для AS и NAS.» [2].

Глава 2. Анализ существующей сети связи в д. Маевка, Зеленодольского района, Республика Татарстан.

2.1 Описание текущей инфраструктуры связи.

На данный момент в д. Маевка, Зеленодольского района, Республика Татарстан найден только один провайдер – Таттелеком.
ВОК (волоконно-оптический кабель) тянется по прямой из села Бело-Безводное до М7 аб/2 ТШ Маевка, далее поворачивает направо и движется по прямой до М7 аб/3 ТШ Маевка, затем до М7 аб/4 ТШ Маевка и до самой деревни. Кабель протяженностью 2308 метров.














Ближайшая базовая станция находится в Республике Марий Эл (теле2).

2.2 Проблемы и ограничения существующей сети

В настоящий момент в д. Маевка нет существующей LTE связи. Ближайшая базовая станция находится в Республике Марий Эл в 4,57 км от центра деревни.


В деревне имеется наличие сигнала 2G. При собственном наблюдении выявлено, что 3G в деревне нет.

2.3 Потребности населения в высокоскоростном интернете.

На 1 января 2024 численность населения (постоянных жителей) деревни Маевка составляет 158 человек, в том числе детей в возрасте до 6 лет - 3 человека, подростков (школьников) в возрасте от 7 до 17 лет - 5 человек, молодежи от 18 до 29 лет - 25 человек, взрослых в возрасте от 30 до 60 лет - 89 человек, пожилых людей от 60 лет - 30 человек, а долгожителей деревни Маевка старше 80 лет - 6 человек.
На сегодняшнем этапе развития цифровых коммуникационных систем происходит формирование прогрессивной информационной среды. Её основа заключается в следующем:

• используются цифровые валюты;
• хозяйственные связи переходят на виртуальную основу;
• падает потребность во внушительной транспортной инфраструктуре;
• сокращаются издержки бизнеса;
• исчезают традиционные рынки и т.п.

В рамках реализации Указов Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» иот 21.07.2020 г. № 474 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года» , в том числе с целью решения задачи по обеспечению ускоренного внедрения цифровых технологий в экономике и социальной сфере, Правительством Российской Федерации сформирована национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации» утвержденная протоколом заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по стратегическому развитию и национальным проектам от 4 июня 2019 г. № 7.
Таким образом, можем утверждать, что потребность населения в высокоскоростном интернете стопроцентная, так как на данный момент в России идет цифровизация экономики.

2.4 Перспективы развития технологий связи LTE.

В соответствии с федеральным законом «О связи», населенные пункты с численность от 100 до 500 человек, должны быть обеспечены точками доступа к Wi-Fi.
Минцифры РФ утвердило перечень населённых пунктов, в которые будут проведены Интернет и сотовая связь. В числе 755 сел и деревень Татарстана в него вошли 19, расположенных в Зеленодольском районе.
В Зеленодольском районе в перечень вошли села Акзигитово, Бакрче, Большие Ширданы, Большой Кульбаш, Кугеево, Кугушево, Мамадыш-Акилово, Новая Тура, Свияжск, Большое Ходяшево, Мизиново, поселки ж/д разъезда Албаба, Местечко Раифа, Новопольский, Новочувашский, Садовый, деревни Каратмень, Маевка, Татарское Танаево.

Глава 3. Организации сети LTE в д. Маевка, Зеленодольского района, Республика Татарстан.

3.1 Сравнительный анализ оборудования мировых производителей.

Согласно рекомендациям предпринимателей и мировому опыту в области сетей LTE, среди производителей решений LTE выделяются следующие: Huawei, Ericsson, Motorola и Nokia. В ярком списке из 3 продуктов этих компаний оцениваются по ряду критериев, и выбирается оборудование, используемое для построения сети LTE.

Таблица 3 - Анализ и сопоставление устройств LTE, используемых для построения сетей.

Согласно приведенной выше таблице, было выбрано решение Huawei. Решающим показателем является цена и широкое использование продуктов компании местными операторами связи.

Кроме того, оборудование Huawei имеет небольшую конструкцию и может работать в требуемом диапазоне частот 2,6 ГГц.
3.2 Выбор оборудования БС LTE

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.

Выбор оборудования базовой станции

• Базовая станция Huawei DBS3900 LTE. DBS3900 обеспечивает простую структуру и быстрое развертывание сети. DBS3900 имеет только два типа основных функциональных модулей, таким образом значительно сокращая затраты на запасные части и обслуживание. Имея великолепную приспособляемость к условиям среды, основные модули легко адаптируются к условиям площадки для эффективного развертывания. То есть отсутствуют дополнительные затраты на строительство помещения для размещения оборудования.

Удаленный радиомодуль обеспечивает следующие преимущества:
- так как радиочастотный модуль DBS3900 может монтироваться на башне, длина питающей линии значительно сокращается и затраты на подводящие линии также сокращаются;
- сокращение потерь на питающих линиях приводит к увеличению коэффициента усиления мощности от 3 до 5 дБ и повышению радиуса покрытия более чем на 20 %. Таким образом, может быть достигнуто покрытие традиционной макро-BTS с помощью меньшей мощности шкафа.
- благодаря технологии удаленного радиомодуля, DBS3900 поддерживает распределенную установку радиомодулей, что значительно повышает гибкость при проектировании покрытия вдоль железнодорожных путей.
DBS в целом, как соединенные с ней BBU и все RRU, фактически представляют собой одну соту. Наиболее значимое преимущество подобной схемы заключается в снижении числа хендоверов между сотами. По сравнению с репитером, каждый RRUможет производить радиосигналы и управлять ими независимо, пассивные помехи в промежуточных узлах не накапливаются, и DBS может управляться целиком (BBU и все RRU) единым интерфейсом обслуживания.
Схема двойного покрытия с помощью одной частоты позволяет двум BTS, работающим в активном/резервном режиме, покрывать одну и ту же зону. Кроме того, в любой конкретный момент времени функционирует только один из BTS. Эти две BTSиспользуют идентичные частоты. При нормальных условиях активная BTS работает в штатном режиме, в то время как резервная BTS работает, но не передает мощность. Если активная BTS выходит из строя, BSC запускает переключение с активной на резервную BTS. При этом ранее активная BTS понижается до статуса «резервной BTS », в то время как ранее резервная BTS повышается до статуса «активной BTS ». Данное избыточное покрытие не требует дополнительных частот, в отличие от одиночного покрытия, что повышает эксплуатационную готовность сети и обеспечивает непрерывное функционирование сети даже в случае отказа BTS.
RRU подключаются к активным и резервным BBU. То есть каждый RRUподключается к двум BBU.
При нормальных условиях эксплуатации RRU обменивается данными только с активным BBU. Благодаря функции избыточности BBU, RRU поддерживает автоматическое переключение CPRI-портов в случае отказа BBU. В случае отказа активного BBU, BSC осуществляет переключение с активных на резервные BBU; последние становятся активными. В свою очередь RRU запускают переключения CPRI-порта. После переключения RRU обмениваются данными с новыми активными BBU.
Благодаря усовершенствованной конструкции аппаратной части, а также комплексу функций энергосбережения ПО, таких как интеллектуальное управление PA, энергопотребление DBS3900 значительно снижено. В то же время, конструкция естественной отдачи тепла позволяет радиочастотному модулю работать без вентиляторов, что еще более снижает энергопотребление, исключая шум и связанные с вентиляторами отказы. Благодаря всему вышесказанному операторами могут быть созданы экологичные сети.
Максимальная пропускная способность одной соты (20 МГц):
- пропускная способность нисходящего канала на уровне управления доступом к среде (MAC) составляет 150 Мбит/с (2x2 MIMO);
- пропускная способность восходящего канала на уровне MAC составляет 70 Мбит/с (2x2 MU-MIMO или 2x4 MU-MIMO).
Пропускная способность восходящего и нисходящего канала на уровне MAC равна 1500 Mбит/с.
Максимальное количество UE в режиме RRC_CONNECTED на eNodeB:
- на 1,4 МГц – 3024 UE;
- на 3 МГц – 6480 UE;
- на 5/10/15/20 МГц – до 10800 UE.
Максимальное количество одновременных радионесущих частот для передачи пользовательских данных (DRB) на UE – 8.
Характеристики BBU3900:
- входная мощность – 48 В DC (диапазон напряжений: от минус 38,4 до минус 57 В DC);
- размеры (высота x ширина x глубина) – 86x442x310 мм;
- рабочая температура от минус 20 до плюс 50 °C при длительной эксплуатации и от плюс 50 до плюс 55 °C при кратковременной эксплуатации;
- относительная влажность от 5 до 95 %;
- класс защиты от внешних воздействий (IP) – IP20;
- атмосферное давление от 70 до 106 кПа.
Характеристики удаленного радиоблока RRU:
- входная мощность минус 48 В DC; диапазон напряжения от минус 57 до минус 36 В DC;
- температура эксплуатации от минус 40 до плюс 50 °C (с учетом солнечного излучения 1120 Вт/м²), от минус 40 до плюс 55 °C (без учета солнечного излучения);
- класс защиты от внешних воздействий (IP) – IP65.
2. Базовая станция Flexi Multiradio BTS GSM/EDGE. Новая модель Flexi Multiradio Base Station построена на базе уже известной на рынке платформы Flexi Base Station и обратно совместима с ней. Она поддерживает технологии GSM/EDGE, WCDMA/HSPA и LTE. Базовая система Flexi Multiradio BTS GSM/EDGE от Nokia Siemens Networksоснована на технологии активных антенн, которая объединяет антенну и радиооборудование в единый функциональный блок, имеющий отдельные усилители мощности для каждого элемента антенны. Активная антенна позволяет осуществлять формирование лучей – фокусировку отдельного радиоподключения и его направление на конкретного пользователя, а также использовать различные технологии в одном блоке.
Базовая станция Flexi Multiradio BTS GSM/EDGE используется в сетях 3G и LTE.
Базовое описание:
- работает с полосами частот от 1,4 МГц до 20 МГц в режиме LTE;
- также поддерживает GSM/EDGE и UMTS/HSPA.
Спецификация:
- может использоваться внутри и вне помещений, с установкой на полу, на стене, на шесте, на мачте, в распределенных и безфидерных конфигурациях площадки;
- частотные диапазоны: спаренные и неспаренные полосы частот в диапазонах 700, 800, 850, 900, 1800, 1900, 1700/2100, 2100, 2300 и 2600 МГц;
- конфигурации с несколькими трансиверами – два трехсекторных радиомодуля Flexi плюс два системных модуля GSM/RDGE плюс два системных модуля WCDMA/HSPA и LTE. Также поддерживается решение с выносной радиоголовкой (RRHили Remote Radio Head);
- максимальная емкость: до 6+6+6 GSM, или до 4+4+4 WCDMA, или 1+1+1 LTE с полосой 20 МГц и гибкой комбинации всех перечисленных технологий в конкурентном режиме;
- для подключения к транспортной сети в Flexi Multiradio Base Station имеется встроенный IP/Ethernet-интерфейс;
- технология усилителя мощности радиосигнала: мультистандартный усилитель мощности с множественными несущими;
- 133х447х560 мм (размеры модуля), может использоваться в помещениях и вне помещений, может устанавливаться в стойку 19";
- чистый объем – 25 литров (для одного модуля);
- диапазон рабочих температур: от минус 35 до плюс 55 °С;
- источники питания: от 40,5 до 57 В постоянного тока, от 184 до 276 В переменного тока;
- типовое потребление мощности: 790 Вт для комбинированного сайта GSM и WCDMA;
- выходная мощность – 180 Вт с каждого радиомодуля или 60 Вт с удаленной радиоголовки (RRH);
- класс защиты от влажности – IP 65.
Описание выбранного решения оборудования базовой станции. В качестве оборудования базовой станции выбрано решение на основе DBS3900 LTE компании Huawei. Преимущество этой базовой станции перед Flexi Multiradio BTS в том, что у DBS3900 LTE модульная структура, которая позволяет с большим удобством и меньшими затратами проводить ремонт и модернизацию оборудования. Так же такое решение обеспечит большую гибкость и меньшую зависимость от конкретных составных частей оборудования базовой станции. DBS3900 LTE обеспечит возможность дальнейшего развития сети.
В состав оборудования базовой станции сети подвижной связи стандарта LTEвходят:
- три антенны 80010674 («Kathrein » Германия);
- базовый блок ВВU 3900 LTE («Huawei Technologies Co., Ltd », Китай);
- три радиомодуля RRU 3268 (2600) («Huawei Technologies Co., Ltd », Китай);
- панель распределения питания DCDU-03 («Huawei Technologies Co., Ltd », Китай);
- три радиомодуля RRU 3268 (800) («Huawei Technologies Co., Ltd », Китай).
Схема подключения оборудования базовой станции показана на рисунке 2, (на рисунке не показано подключение третьего радиомодуля). На рисунке 3 представлен план аппаратной базовой станции.


Рисунок 2 – Схема подключения оборудования
Рисунок 3 – План аппаратной


Характеристики антенны 80010674 «Kathrein » представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Характеристики антенны 80010674 «Kathrein »

На рисунке 4 представлены диаграммы направленности антенны 80010674 «Kathrein ».

Рисунок 4 – Диаграммы направленности антенны 80010674 «Kathrein ».
На рисунке 5 показаны габариты антенны 80010674 «Kathrein ».
Рисунок 5 – габариты антенны 80010674 «Kathrein »
BBU3900 является блоком обработки базовых частот для установки внутри помещений, который обеспечивает централизованное управление эксплуатацией и обслуживанием, а также обработку сигнализации всей системы базовой станции и обеспечивает опорный сигнал синхронизации. Также блок имеет физические интерфейсы для соединения с BSC и RRU3004. BBU3900 устанавливают в статив 2 Uвысотой и шириной 47,5 см. Он может быть установлен в статив 19“, либо смонтирован на стену.
В BBU3900 устанавливаются дополнительные платы, обеспечивающие мониторинг окружающих условий, мониторинг интерфейса Abis и сигналов синхронизации GPRS.BBU3900 это компактное оборудование, простое при установке. Потребляет небольшой объём мощности и обеспечивает полный спектр услуг.
Ёмкость:
- BBU3900 поддерживает 72 приёмопередатчика;
- Abis поверх IP.
Возможности организации сети:
- E1/T1, оптический FE, поддержка радиорелейной и спутниковой передачи.
- поддержка топологий – звезда, дерево, цепь, кольцо и смешанных топологий, поддержка Flex Abis;
- GSM и UMTS могут использовать BBU3900;
- оптимизирована передача с использованием интерфейса Abis;
- поддержка обнаружения и восстановления свободных пакетов BTS и BSC.
Синхронизация:
- при работе системы синхронизации в режиме только внутренней колебаний, система может работать непрерывно в течение семи дней;
- поддержка различных режимов синхронизации: поддержка синхронизации с сигналом синхронизации выделенного из интерфейса Abis, поддержка синхронизации с системой GPS, синхронизация с внешним источником 2 МГц BITS.
BBU3900 характеризуется высокой адаптируемостью к условиям окружающей среды:
- диапазон рабочих температур: от минус 20 до плюс 55 ºC;
- BBU может работать при широком диапазоне рабочих напряжений: от минус 38,4 до минус 57 V DC (номинальное напряжение минус 48 V DC);
- используемый блок питания преобразует 220 V AC в минус 48 V DC для работы BBU.
RRU 3268 – выносной радиочастотный блок. Обеспечивает обработку сигналов основных частот и радиочастотных сигналов. Один RRU 3268 выполняет функцию двух приёмопередатчиков. Если два модуля RRU 3268 установлены в подстативе RRU 3268, они выполняют функцию четырёх приемопередатчиков.
Один модуль RRU 3268 обеспечивает два приёмопередатчика. Два модуля RRU3268 установленные в подстативе RRU 3268, выполняют функцию четырёх приемопередатчиков.
RRU 3268 имеет небольшой вес и характеризуется простотой установки. Подстатив RRU 3268 можно установить на стальной мачте, стене или бетонном основании.
RRU – это оборудование, которое может работать при разных условиях окружающей среды. Модуль характеризуется адаптируемостью к условиям окружающей среды:
- RRU имеет закрытый интегрированный дизайн, по водонепроницаемости отвечает стандарту IP65, меры защиты от воздействия влаги, плесени и соляного тумана соответствуют спецификациям первого класса;
- диапазон рабочих температур RRU – от минус 40 до плюс 50 ºC;
- RRU может работать при широком диапазоне рабочих напряжений – от минус 36 до минус 57 V DC (номинальное напряжение минус 48 V DC);
- используемый блок питания преобразует 220 V AC в минус 48 V DC для работы RRU.

3.3. Расчет пропускной способности

«Пропускная способность и емкость сети оцениваются на основе средней спектральной эффективности соты в определенных условиях.
Спектральная эффективность в системах мобильной связи представляет собой показатель, который вычисляется как отношение скорости передачи данных к используемой полосе частот (бит/с/Гц). Она отражает эффективность использования частотного ресурса и характеризует скорость передачи информации в заданной полосе частот.
Спектральную эффективность можно рассчитывать как отношение скорости передачи данных всех абонентов сети в определенной географической области (соте, зоне) к полосе частот (бит/с/Гц/сота), а также как отношение максимальной пропускной способности сети к ширине полосы одного частотного канала.
Средняя спектральная эффективность для сети LTE, с шириной полосы частот 20 МГц и частотным типом дуплекса FDD на основе 3GPP Release 9 для различных конфигураций MIMO, представлена в таблице.» [12].
Таблица 5 - Средняя спектральная эффективность для сети LTE

Для систем с частотным разделением каналов (ФДД) средняя пропускная способность одного сектора eNB может быть получена путем умножения ширины канала на спектральную эффективность канала.
R - средняя пропускная способность (бит/с);
S - средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц);
W - ширина канала (МГц).
R=S*W
Для линий DL (направление от базовой станции к пользователю):
RDL=S*W=2,93*20=58,6Мбит/с.
Для линий UL (направление от пользователя к базовой станции):
RUL=S*W=1,254*20=25,08Мбит/с.
ReNB можем рассчитать путем умножения полосы пропускания сектора на количество секторов базовой станции. Предположим, что количество секторов равно трем, получаем:
ReNB = RDL / UL ⋅ 3,
Для DL: ReNB.DL = 58.6 ⋅ 3 = 175.8 Мбит/с.
Для UL: ReNB.UL = 25.08 ⋅ 3 = 75.24 Мбит/с.
Далее определим количество сот в планируемой сети LTE.
Чтобы посчитать количество сот в сети, необходимо определить общее количество каналов, выделенных для развертывания ожидаемой сети LTE по формуле:

Где - полоса частот, выделенная для сетевых операций (равна 20 МГц); Δfk - полоса частот радиоканала. В сети LTE она равна ширине ресурсного блока (RB), что составляет 180 кГц, и Δfk=180 кГц.
Общее количество каналов Nk в сопоставлении с формулой:

(Для нахождения количества каналов ЧПУ, количество секунд, нужное для обслуживания пользователей в секторе соты, определим по формуле:

где Nк - общее число каналов (111), Nкл - размерность кластера (берем 3), Mсек - количество секторов eNB (берем 3).
«Число каналов в одном секторе одной соты:
Nк.сек = ⌈111 /(3⋅3)⌉ ≈ 12 (каналов).
Далее определим число каналов трафика в одном секторе одной соты Nкт.сек. Используем формулу:
Nкт.сек = Nкт1 ⋅ Nк.сек,
где Nкт1 - число каналов трафика в одном радиоканале (для OFDMA в сети LTENкт1 = 1/3, примем Nкт1 = 1.
Nкт.сек = 1 ⋅ 12 ≈ 12 (канала).
В соответствии с моделью Эрланга В, представленной в виде программного калькулятора на рис. 2, доступного по ссылке в сети https://www.erlang.com/calculator/erlb/, определим допустимую нагрузку в секторе одной соты Асек при допустимом значении вероятности блокировки равной 1% и рассчитанным выше значении Nкт.сек равного 12 каналам.» [12].

Рис. 6. Расчет допустимой нагрузки в секторе от числа каналов трафика и вероятности блокировки
Определяем, что Асек ≈ 5 Эрл.

3.4 Расчет количества потенциальных абонентов.

Число абонентов, которое будет обслуживаться одной eNB, определяется по формуле:
где A₁ – средняя по всем видам трафика абонентская нагрузка от одного абонента;значение A₁ может составлять (0,04...0,2) Эрл. Так как проектируемая сеть планируется использоваться для высокоскоростного обмена информацией, то значение A₁ примемравным 0,2 Эрл. Таким образом:
Число базовых станций eNB в проектируемой сети LTE найдем по формуле:
где Nаб – количество потенциальных абонентов. Количество потенциальных абонентов определим как 60% от общего числа жителей. Общее число жителей д. Маевка составляет 158 человек. Таким образом, количество потенциальных абонентов составит 95 человек, то есть:

Для определения средней планируемой пропускной способности RN проектируемой сети мы умножим количество eNB на среднюю пропускную способность eNB. Формула будет иметь вид:
RN = (ReNB.DL + ReNB.UL ) ⋅ NeNB ,
RN = (175.8 + 75.24) ⋅ 2 = 502.08 (Мбит/с).
Потенциальная (возможная) скорость передачи данных для одного абонента Vабн будет определяться путем деления пропускной способности на число абонентов. Формула будет иметь вид:
Vабн = V0/Nабн = 502,08/75 = 6,69 Мбит/с
Для проведения проверочной оценки емкости проектируемой сети, определим усредненный трафик одного абонента в ЧНН (Частотно-независимой Непрерывной Нагрузке).
Усредненный трафик одного абонента в ЧНН может быть рассчитан по формуле:
где Тт – средний трафик одного абонента в месяц, Тт = 25 Гбайт/мес;
NЧНН – число ЧНН в день, NЧНН = 7; Nд – число дней в месяце, Nд = 30.
Для расчета усредненного трафика одного абонента в ЧНН (Туср) по предоставленным значениям, мы можем использовать следующую формулу:
Для определения общего трафика проектируемой сети в ЧНН (Rобщ./ЧНН) по формуле, где Nакт.аб - число активных абонентов в сети, равное 80% от общего числа потенциальных абонентов Nаб, можно использовать следующую формулу:
Подставляя значения:
Rобщ./ЧНН = 0.264⋅95⋅80% = 20,064 Мбит/с
Таким образом, общий трафик проектируемой сети в ЧНН составляет примерно 20,064 Мбит/с
Если RN (средняя планируемая пропускная способность RN) больше Rобщ./ЧНН (общий трафик проектируемой сети в ЧНН), это означает, что проектируемая сеть имеет достаточную пропускную способность для обслуживания активных абонентов в ЧННбез перегрузок. Таким образом, условие RN > Rобщ./ЧНН подтверждает, что сеть будет работать эффективно в рамках заданного трафика.

3.5 Анализ радиопокрытия в д. Маевка.

При планировании радиосетей LTE встречаются определенные отличия от планирования других беспроводных технологий. Основное отличие заключается в использовании нового типа многостанционного доступа на основе технологии OFDM. В связи с этим появляются новые понятия и изменяются алгоритмы проектирования.
Планирование радиосети LTE будет выполняться в сельской местности, что означает низкую плотность абонентов. Базовые станции должны быть размещены на максимальном удалении друг от друга, чтобы охватить как можно большую территорию каждой eNB. При этом необходимо выбрать соответствующий частотный диапазон. В данном случае руководствуются правилом, что чем ниже частота, тем дальше распространяется радиосигнал. Диапазон частот 791 - 862 МГц вполне подходит для выполнения этой задачи. Тип дуплекса выбран частотный - FDD.
Для анализа радиопокрытия начинаем с вычисления максимально допустимых потерь на линии (МДП). МДП рассчитывается как разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью передатчика (ЭИИМ) 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.



Рисунок 7 - Принцип расчета МДП

Для проведения расчетов с применением параметров, мы можем использовать допустимые значения:
Системная полоса: 20 МГц
Коэффициент определения полосы частот (DL/UL) для FDD: 10/10
Выходная мощность TRX eNB: 40 Вт (46 дБм)
Режим работы eNB на линии DL: MIMO 2x2
Мощность абонентского терминала (UE): 33 дБм (класс 4, USB-модем)
Соотношение длительности кадров DL/UL: 100%/100%
Теперь считаем максимально допустимые потери (LMDP) по формуле:
LМДП = Pэиим.прд - Sч.пр + GА.прд - Lф.прд - Mпрон - Mпом - M затем + Gхо: где P_{эиим.прд} –эквивалентная излучаемая мощность передатчика;
S_ч.пр – чувствительность приемника;
G_А.прд - коэффициент усиления антенны передатчика, G_А.прд: DL = 18 дБ, UL =0 дБ;
L_Ф.прд – потери в фидерном тракте передатчика, L_Ф.прд: DL = 0,3 дБ;
М_прон – запас на проникновение сигнала в помещение для сельской местности,М_прон = 12 дБ;
«M_ном – запас на помехи. М_ном определяется по результатам моделирования системного уровня в зависимости от нагрузки в соседних сотах; значение М_номсоответствует нагрузке в соседних сотах 70%. M_ном:DL=6,4дБ; UL = 2,8 дБ;» [11].
«G_хо – выигрыш от хэндовера. Значение выигрыша от хэндовера - результат того, что при возникновении глубоких замираний в обслуживаемой соте, абонентскийтерминал может осуществить хэндовер в соту с лучшими характеристиками приема.
G_хо = 1,7 дБ.
P_{эиим.прд} рассчитывается по формуле:
Pэиимпрд. = Pвых.прд + GА.прд – Lф.прд ,где Р_{вых.прд} - выходная мощность передатчика.
Р_{вых.прд} в линии «вниз» (DL) в LTE зависит от ширины полосы частот сайта, которая может колебаться от 1,4 до 20 МГц. В пределах до 5 МГц рационально выбрать передатчики TRX мощностью 20 Вт (43 дБм), а свыше 5 МГц – 40 Вт (46 дБм).» [12].
Р_{вых.прд} : DL = 46 дБм, UL = 33 дБм. Для линии DL:
P_{эиим.прд} = 46 + 18 - 0,3 =
63,7 (дБм),
Для линии UL:
Р_{эиим.прд} = 33 + 0 = 33 (дБм).
S_ч.пр рассчитывается по формуле:
Sч.пр = Pтш.пр + Mосш.пр + Lпр
где Р_тш.пр - мощность теплового шума приемника, Р_тш.пр:
DL = -174,4 дБм,
UL= -104,4 дБм;
М_осш.пр - необходимое отношение сигнал/шум приемника. Значение М_осш.пр взятодля модели канала «Enhanced Pedestrian A5 ». М_осш.пр: DL = -0,24 дБ; UL = 0,61 дБ;
L_пр - коэффициент шума приемника, L_пр: DL = 7 дБ, UL = 2,5 дБ;
Для линии DL:
S_ч.пр = -174,4 + ( -0,24 ) + 7 = -167,64 (дБм),
Для линии UL:
S_ч.пр=-104,4+0,61+2,5=-101,29(дБм).
С учетом полученных результатов по формулам (4.12) и (4.13), рассчитаемзначение МДП:
Для линии DL:
L_МДП = 63,7 – (-167,64) – 12 – 6,4 – 8,7 – 1,7 = 205,94 (дБ)
Для линии UL:
L_МДП = 33 – ( -101,29) + 18 – 0,4 – 12 – 6,4 – 8,7 + 1,7 = 126,5 (дБ)
Из двух значений МДП, полученных для линий DL и UL выбираем минимальное, чтобы вести последующие расчеты дальности связи и радиуса соты. Ограничивающей линией по дальности связи, как правило, является линия вверх.
Для расчета дальности связи воспользуемся эмпирической модельюраспространения радиоволн Okumura – Hata. Данная модель является обобщением опытных фактов, в котором учтено много условий и видов сред. В модели Okumura –Hata предлагается следующее выражение для определения среднего затуханиярадиосигнала в городских условиях:
L_Г = 69,5 + 26,16 lg(f_с) – 13,82 lg(h_с) – A(h_r) + (44.9-6.55 lg(h_t) × lg(d) (4.14)
Для городской местности выражение примет вид с поправкой:
L_c = L_Г- 4,78 (lg(f_с))² + 17,33 lg(f_с) – 40,94 (4.15)
где f_c – частота от 150 до 1500 МГц;
h_t – высота передающей антенны (подвеса eNB) от 15 до 50 метров;
h_r – высота принимающей антенны (антенны мобильного устройства) от 1 до 10метров;
d – радиус соты от 1 до 20 км;
A(h_r) – поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта,зависящий от типа местности.
Произведем выбор параметров для расчетов: f_c = 800 МГц;
h_t = 32 метров;
h_r = 5 метра.

Найдем поправочный коэффициент A(h_r) для сельской местности по формуле:
A(h_r) = (1,1 · lg(f_c) – 0,7) · h_r – (1,56 · lf(f_c) – 0,8),
A(h_r) = (1,1 · lg(800) – 0,7) · 5 – (1,56 · lf(800) – 0,8),
Вычислив из формул радиус соты, получим, что d ≈ 2 км.
Рассчитаем площадь SeNB покрытия трехсекторного сайта по формуле:
=

Глава 4: Проектирование схемы организации сети LTE.

4.1 План размещения оборудования и базовых станций.

Для установки БС было выбрано самое благоприятное расположение – окраина села. Данное расположение позволит направить азимуты антенны таким образом, чтобы избежать так называемых «слепых пятен», «зон островов» и «мёртвых зон». За неимением собственного помещения, внутренне оборудование БС лучше всего смонтировать в климатическом шкафу. Он оснащен собственной климатикой, антивандальной системой, оборудованием для подключения к электричеству, комплектом аккумуляторов. Климатический шкаф также уже оснащен системой термоконтроля, пожарной сигнализацией и системой пожаротушения, что снизит затраты на покупку данного оборудования. Планируемый участок установки – 55.944430, 48.695283, расположенный по адресу: д. Маевка, Зеленодольский район, Республика Татарстан. Планируемое место установки БС показано на рисунке 8. На рисунке 9 представлена схема общего вида столба. На рисунке 10 представлена схема установки оборудования.
Рисунок 8. Планируемое место установки БС.
Рисунок 9. Общий вид столба.


Рисунок 10. Схема установки оборудования.

4.2 Структурная схема подключения сети.

Блок BBU3900 – это низкочастотная часть распределенной базовой станции Huawei, предназначен для обработки базовых частот и устанавливается внутри помещений. Он обеспечивает централизованное управление эксплуатацией и обслуживанием, а также обработку сигнализации всей системы базовой станции и обеспечивает опорный сигнал синхронизации. Также блок имеет физические интерфейсы для соединения с радиомодулями RRU3004 или RRU3606.
Радиочастотный блок RRU3004, поддерживает работу двух/четырёх радиопередатчиков. RRU3004 можно установить на стальной мачте, стене или бетонном основании, блок устанавливается вблизи антенн. Это позволяет избежать затрат на приобретение и монтаж кабелей и фидеров.
Между блоками RRU3004 и BBU3900 используется интерфейс CPRI, который обеспечивает соединение двух модулей с использованием оптических кабелей. Это позволяет существенно сократить затраты по созданию автозала, установке оборудования и эксплуатации. На рисунке 11 представлена структурная схема подключения.












Рисунок 11. Структурная схема подключения

Рисунок 12. Структура DBS3900.
4.3 Оптимизация сети для обеспечения максимального покрытия.

При оптимизации учитывается отличие высоты расположения БС от среднего значения, а также рельеф и застройку: для каждой БС пересчитывается радиус покрытия в зависимости от высоты расположения и рельефа, а также учитывается форма совместной диаграммы направленности секторных антенн БС в зависимости от окружения.
БС №1: реальная высота – 45 метров. Радиус покрытия – 780 метров. Из-за застройки Радужного радиус на юго-восток будет чуть меньше – 750 метров.
БС №2: реальная высота – 40 метров. Радиус покрытия – 740 метров. В сторону завода ЖБИК – 700 метров (из-за рельефа).
БС №3: реальная высота – 35 метров. Радиус покрытия 700 метров.
БС №4: радиус покрытия остаётся 670 метров. С учётом застройки села Сошени радиус покрытия в его сторону будет 650 метров.
БС №5: радиус покрытия остаётся 670 метров. На юго-восток и восток радиус увеличится из-за рельефа до 740 метров.
БС №6: реальная высота – 35 метров. Радиус покрытия – 700 метров. С учётом застройки Нововятска – 680 метров. На юг – 700 метров.
БС №7: реальная высота – 35 метров. Радиус покрытия – 700 метров.
БС №8: реальная высота – 40 метров. Радиус покрытия – 740 метров. В сторону механического завода – 720 метров, на юг – 760 метров.
БС №9: реальная высота – 35 метров. Радиус покрытия 700 метров.
Кроме того, на границе секторов антенн радиус действия будет чуть меньше, поэтому направлять антенны необходимо в зоны, наиболее нуждающиеся в хорошем покрытии.
После оптимизации сеть покрывает все заселённые участки территории обслуживания. Остались некоторые «проблемные» зоны, в которых возможен неуверенный приём, однако они располагаются в местах, где использование ресурсов сети маловероятно: несколько садов, участок около железной дороги, часть территории Механического завода и небольшая часть территории дендрария.
Внутри обозначенной зоны покрытия выполняются все требования к качеству доступа. Вне зоны доступ возможен, но его качество не гарантировано (возможны обрывы соединения, снижение скорости передачи данных).

Заключение

Реализация данной выпускной квалификационной работы позволит провайдеру предоставлять услуги связи посредством высокоскоростного доступа по технологии LTE юридическим и физическим лицам, с возможностью перемещения в пределах беспроводной сети.
В ходе проектирования были произведены расчеты пропускной способности, количества потенциальных абонентов, анализ радиопокрытия местности. В пункте 3.3 главы 3 была рассчитана средняя пропускная способность бс.
Для линии DL: ReNB.DL = 58.6 ⋅ 3 = 175.8 Мбит/с.
Для линии UL: ReNB.UL = 25.08 ⋅ 3 = 75.24 Мбит/с.
В пункте 3.4 было рассчитано кoличествo пoтенциaльных абoнeнтoв в деревне Маевка. Оно составило 60% от всего значения жителей в деревне – 95 человек.
В пункте 3.5 был выполнен анализ радиопокрытия. В ходе проектирования были произведены расчеты дальности связи моделью распространения радиоволн Okumura – Hata. Вычислив радиус соты, получили d ≈ 2 км.
Рассмотрены общие вопросы, касающиеся стандартов и развития технологии LTE, приведены особенности технологии MIMO, а также предложены основные типовые решения покрытия базовых станций.
В работе произведено проектирование схемы организации сети LTE.
В соответствии с поставленной целью было выбрано оборудование соответствующее стандарту LTE, рассмотрены различные варианты его размещения, также был произведен расчет оптимальной зоны покрытия города для стартового разворачивания сети 4G и найдено наилучшее географическое размещение базовых станций.

Библиографический список

• Варукина Л. Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMAX [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2010. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/093817.htm (дата обращения 16.11.2015).
• Тихвинский В.О., Юрчук А.Б., Терентьев С.В. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. – М: Эко-Трендз, 2010. – 284 с.
• Терещенко С. LTE vs. WiMAX [Электронный ресурс]: Радиочастотная служба, 2012 – URL: http://www.rfs-rf.ru/uplo...brary/53e/018691.pdf (дата обращения 16.11.2015).
• Легков К.Е. Беспроводные сети нового поколения WiMax и LTE: анализ производительности при применении на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 3. С. 46-51.
• Легков К. Анализ производительности беспроводных сетей нового поколения // Мобильные телекоммуникации. 2012. № 5 (117). С. 12-15.
• Варукина Л. Упражнение по планированию радиосетей LTE [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2011. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm (дата обращения 15.11.2015).
• LTE Radio Link Budgeting and RF Planning: LTE Encyclopedia – URL: https://sites.google.com/...ting-and-rf-planning (дата обращения 21.11.2015).
• Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи / пер. Н.И. Рудинского, А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
• LTE (Long-Term Evolution, 4G) [Электронный ресурс] – URL: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:LTE (дата обращения 21.11.2015).
• Recommendation ITU-R M.1645. Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000 // International Telecommunication Union, 2003. – URL: http://www.itu.int/dms_pu...EC-M.1645-0-200306-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 16.11.2015)
• ITU-R IMT-Advanced 4G standards to usher new era of mobile broadband communications // International Telecommunication Union, 2010. – URL:http://www.itu.int/net/pr...eleases/2010/40.aspx#.Vkpb87-ns5l (датаобращения 16.11.2015).

12. Бабаков В. Ю., Вознюк М. А., Михайлов П. А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование. Учебное пособие для ВУЗов. – М: Горячая линия – Телеком, 2007.
13. Кааринен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы. – М.: Техносфера, 2007.
14. Тихвинский В. О., Терентьев С. В., Юрчук А. Б. Сети мобильной связи LTE: технология и архитектура. – М.: Эко-Трендз, 2010.
15. Вишневский В. М., Портной С. Л., Шахнович И. В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. – М.: Техносфера, 2009.
16. Гельгор А. Л. Технология LTE мобильной передачи данных: учебное пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.
17. Печаткин А. В. Системы мобильной связи. Часть 1. – РГАТА, Рыбинск, 2008.
18. Гольдштейн Б. С., Соколов Н. А., Яновский Г. Г. Сети связи: Учебник для ВУЗов. – СПб.: БХВ – Петербург, 2010.
19. 3GPP TS 36 104: «E-UTRA Base Station (BS) radio transmission and reception» (Release 9). April 2011.
20. Официальный сайт форума «4G» [Электронный ресурс] // Forum о 4G оборудование для сетей WiMAX. 2015. Дата обновления: 10.01.2015. URL:http:// http://www.forum4g.ru (дата обновления 15.02.2015г).