Сеть подвижной связи стандарта LTE для города Екатеринбурга

Федеральное агентство связи
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования
«Московский технический университет связи и информатики»


         Разрешаю
допустить к защите
   Зав. кафедрой

_____________________
______________2017 г.





БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА 

НА ТЕМУ

Сеть подвижной связи стандарта LTE для города Екатеринбурга







                       Студент:  Бридихина Алёна Юрьевна
                       Руководитель: ассист.каф. ССиСК Антонова Вероника Михайловна      
                       Рецензент:_______________________     _______ _____________________










Москва, 2017 г.
Оглавление
Список сокращений:	5
Введение	8
1.	ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ	10
1.1.	Система мобильной связи второго поколения	13
1.2.	Система мобильной связи третьего поколения	15
1.3.	Система мобильной связи стандарта LTE	17
1.4.	Система мобильной связи четвертого поколения	18
1.5.	Система мобильной связи пятого поколения	19
2.	АРХИТЕКТУРА СЕТИ  LTE	20
2.1.	Основные элементы сети LTE	21
2.2.	Характеристики сети LTE	22
2.3.	Показатели качества обслуживания для сети LTE	25
2.4.	Взаимодействие сетей LTE с другими сетями (третьего поколения)	26
3.	РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ СТАНДАРТА LTE	29
3.1.	Общие сведения о городе	29
3.2.	Факторы, влияющие на планирование сетей LTE	30
3.3.	Частотное планирование сетей LTE	31
4.	РАСЧЕТ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СЕТИ	35
4.1.	Расчет энергетического бюджета сети	35
4.2.	Расчет пропускной способности и необходимого количества базовых станций	41
4.3.	Расчет зон покрытия на территории города Екатеринбурга.  Частотно-территориальное деление и ситуационное расположение базовых станций на территории города Екатеринбурга	49
5.	ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В СЕТИ LTE	52
Заключение	57
Литература	58







ОТЗЫВ РУКОВОДИТЕЛЯ


на выпускную квалификационную работу студента   _____________________
__________________________________________________________________
(ФИО)
на тему______________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________





















Р Е Ц Е Н З И Я

на выпускную квалификационную работу студента   _____________________
__________________________________________________________________
(ФИО)
на тему______________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________




















Список сокращений:
3GPP
The 3rd Generation Partnership Project
проект партнерства третьего поколения

AMPS

Advanced Mobile Phone Service
усовершенствованная подвижная телефонная служба

ARP
Address Resolution Protocol
протокол в компьютерных сетях, предназначенный для определения MAC-адреса по известному IP-адресу.
CDMA
Code Division Multiple Access
множественный доступ с кодовым разделением

CP
Cyclic Prefix
циклический префикс
CSD
Circuit Switched Data
технология передачи данных, разработанная для мобильных телефонов стандарта GSM

E-UTRAN
Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
усовершенствованная универсальная наземная подсистема радиодоступа

EDGE
Enhanced Data rates for GSM Evolution
Технология высокоскоростной передачи данных сетей стандарта GSM

EPC
Evolved Packet Core Network
выделенная пакетная система


FDD
Frequency Division Duplex
дуплексный режим передачи с частотным разделением каналов

FDMA
Frequency Division Multiple Access
множественный доступ с разделением каналов по частоте

GBR
Guaranteed Bit Rate
гарантированная скорость передачи

GGSN
Gateway GPRS Support Node
шлюзовой узел поддержки GPRS

GPRS
General Packet Radio Service
услуга пакетной передачи данных по радиоканалу

GSM
Global System for Mobile Communication
глобальная система мобильной связи

GUTI
Globally Unique Temporary ID
глобальный уникальный временной идентификатор

HSDPA
High-Speed Downlink Packet Access
высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону

HSPA
High-Speed Packet Access
высокоскоростной пакетный доступ



HSS
Home Subscriber Server
сервер абонентских данных сети сотовой связи стандарта LTE

IP
IP address
уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP

LTE
Long-Term Evolution
долговременное развитие

MGW
Media gateway
медиашлюз

MIMO
Multiple Input Multiple Output
множественный вход множественный выход

MME
Mobility Management Entity
узел управления мобильностью


MS
Mobile Station
мобильная станция

NAS
Non-Access Stratum
протокол использующийся для передачи контрольного трафика между UE и CN

NMT
Nordic Mobile Telephone
скандинавская система мобильной телефонной связи (стандарт)
OFDM 
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
ортогональное мультиплексирование с частотным уплотнением

OFDMА
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
множественный доступ с ортогональным частотным уплотнением

PCEF
Policy and Charging Enforcement Function
тарификация


PCRF
Policy and Charging Rules Function
узел выставления счетов абонентам


P-GW
Packet Data Network Gateway
шлюз пакетной коммутации
QCI
QoS Class Identifier
индикатор качества канала

QPSK
Quadrature Phase-Shift Keying
квадратурная фазовая манипуляция
QoS
Quality of Service
совокупность показателей, характеризующих качество обслуживания мобильного абонента

RNC
Radio Network Controller
контроллер сети доступа сети сотовой связи стандарта UMTS


RNL
Radio Network Layer
уровень радиосети
SAE
System Architecture Evolution
эволюция системной архитектуры (архитектура ядра сети, разработанная консорциумом 3GPP для стандарта LTE)

SC-FDMA
Single Carrier Frequency Division Multiple Access
многостанционный доступ с одной несущей

SGSN
Serving GPRS Support Node
узел обслуживания абонентов пакетной сети передачи данных сетей GSM и UMTS для технологий GPRS, EDGE, HDPA.

S-GW
Serving Gateway
обслуживающий шлюз

SMS
Short Message Service
служба коротких сообщений

TACS
Total Access Communications System
система связи с полным доступом 
(стандарт)

TDD
Time Division Duplex
дуплексный режим передачи с временным разделением каналов

TNL
Transport Network Layer
уровень транспортной сети
UE
User Equipment
пользовательское оборудование

UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
универсальная мобильная 
телекоммуникационная система


UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network
наземная сеть радиодоступа системы UMTS

VoIP 
Voice Over IP
технология передачи голосовых данных по IP-сетям

W-CDMA
Wideband Code Division Multiple Access
широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов

WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access

беспроводные компьютерные сети городского масштаба

БС 
базовая станция

МДП
максимально допустимые потери

ЭИИМ
эквивалентная изотропная излучаемая мощность





Введение
    В наше время происходит бурное развитие технологий связи, таких как фиксированной и мобильной. Вызвано это, в первую очередь, повышенной потребностью общества в передаче большого объема информации. Сеть Интернет играет огромную и одну из важных ролей в современном мире. С помощью такой глобальной сети как Интернет, люди могут в любое время и в любом месте работать, учиться, узнавать что-то новое, общаться с близкими, развлекаться, а также пользоваться услугами различных учреждений. 
    Каждая технология широкополосного мобильного доступа имеет свои параметры. Например, скорость передачи, пропускная способность, время отклика. Поэтому не все, из известных нам технологий, могут обеспечить высокое качество сервисов. Таким образом, одним из перспективных и наиболее актуальным вариантом обеспечения местности высокоскоростным доступом в Интернет является сеть подвижной связи стандарта LTE. 
    Что же такое LTE? Long Term Evolution, что в переводе означает – длительная эволюция. Данная технология построения сети мобильной связи основана на базе IP-технологий, а значит технология обладает высокой скоростью передачи данных. В теории скорость может достигать 1 Гбит/с на приём и 500 Мбит/с на отдачу; в стандарте же установлены 300 Мбит/с на приём и 50 Мбит/с на отдачу. Преимуществ у технологии LTE не мало. Более высокая пропускная способность, что соответствует высокой скорости, рассмотренной ранее. Значительно меньшая задержка при передаче данных. А также простота. Ведь данная технология может работать в различных частотных диапазонах – от 1.4 МГц до 20 МГц, с использованием разных технологий разделения.
     
     Главной целью данной выпускной квалификационной работы является обеспечение абонентов города Екатеринбург устойчивым радиосигналом сети LTE и предоставление жителям города высокоскоростного мобильного доступа в сеть Интернет.
     Основные задачи, которые необходимо выполнить для достижения поставленной цели, это: 
 рассчитать необходимое количество базовых станций;
 рассчитать пропускную способность проектируемой сети;
 произвести расчет площади сот сети LTE для разных видов местности в городе Екатеринбург;
 расположить базовые станции на территории города Екатеринбург;
 выбрать оборудование транспортной сети для стандарта LTE. 
















 Этапы развития мобильных сетей связи
    Формирование сотовой связи содержит в себе несколько поколений. Стандарты разного рода поколений подразделяются на аналоговые и цифровые системы связи. 
    Проанализируем эти системы подробнее. 
    Современная мобильная сотовая связь начала свое развитие еще в конце двадцатого века. Созданием сотовой связи занимались сразу несколько производителей радиотехники, однако, прошло более двадцати лет, прежде чем появились первые такого рода сети. 
    
Семейство
стандартов
Базовый
стандарт
Поколение
Стандарты и технологии на основе базового стандарта


3GPP
GSM
2G
GPRS, EDGE (EGPRS), EDGE Evolution, CSD

UMTS
3G
HSPA, HSDPA, HSUPA, HSPA+,
 UMTS- FDD, UTRA-TDD HCR, UTRA-TDD LCR

3GPP Rel.8
Pre-4G
E-UTRA

LTE Advanced
4G


3GPP2
CdmaOne
2G


CDMA2000
3G
	EV-DO, UMB

AMPS
AMPS
1G
	TACS/ETACS

D-AMPS
2G



Другие
Нет
1G
	NMT, Hicap, CDPD, Mobitex

Нет
2G
	PDC, CSD, PHS, WiDEN, iDEN

Нет
Pre-4G
 iBurst, WiBro, UMA
    Таблица 1.1. – Стандарты мобильной связи (по группам)
    
    
    
    
    
    Таблица 1.2. – Стандарты мобильной связи (по поколениям)
Поколение
Стандарты
1G
NMT, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, TACS, ETACS
2G
GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD, WiDEN
2.75G
EDGE/EGPRS, CDMA2000
3G
UMTS (W-CDMA), CDMA2000, TD-SCDMA, UMA
3.5G
UMTS (HSPDA), UMTS (HSUPA), CDMA2000
3.75G
UMTS (HSPA+), CDMA2000
4G
WiMAX, Flash-OFDM, 3GPP LTE
5G
LAN, PAN, MAN, WLAN
    
 Первое поколение сотовых сетей 

    Разработка данного стандарта началась в 1970-1980 годах. Стандарт 1G был основан на аналоговом способе передачи информации, в отличие от остальных стандартов. 
    Во времена использования 1G о передаче данных не могло быть и речи, так как аналоговые системы были разработаны только лишь для реализации голосовых вызовов и иных ограниченных возможностей.
    В аналоговых стандартах по сей день используется частотная и фазовая модуляции для передачи речи. Основными стандартами сотовой связи стали AMPS – усовершенствованная подвижная телефонная служба, действующая для США, Австралии и Канады, TACS – тотальная система доступа к связи для Англии, Италии, Австрии и Японии, а также NMT – северный мобильный телефон для Скандинавии и прочих стран. 
    Можно сделать вывод о том, что сотовая связь первого поколения проявлялась несовместимыми между собой стандартами.
    
    
    
 Второе поколение сотовых сетей 

    Сотовые сети стандарта 2G появились уже в 1991 году. Главным их отличием от сетей предыдущего поколения стал цифровой способ передачи информации, благодаря чему появилась возможность обмениваться короткими текстовыми сообщениями (SMS). Отныне можно было передавать любую информацию. 
    Основными уже цифровыми стандартами второго поколения стали:
 D-AMPS (диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);
 GSM (900, 1800, 1900 МГц);
 СDMA (800, 1900 МГц);
 JDC (800…900, 1400…1500 МГц).
Таблица 1.3. – Сравнение характеристик стандарта 2G
Характеристика
D-AMPS
GSM
СDMA
JDC
Метод доступа
TDMA
TDMA
CDMA
TDMA
Число речевых каналов на несущую
3
8 (16)
32
3
Разнос каналов, кГц
30
200
1250
25
Вид модуляции
п/4 DQPSK
0.3 GMSK
QPSK
п/4 DQPSK
Скорость передачи данных, кбит/с
48
270
57.6
42
Скорость преобразования речи, кбит/с
8
13 (6.5)
9.6
11.2 (5.6)



 Технология GSM
     Данная технология была разработана из-за растущей потребности людей в использовании сети Интернет на своих мобильных устройствах.  Технология GSM стала неким переходом между двумя поколениями (2G и 3G). 
     Стандарты сети не изменились, однако, появилась технология GPRS, которая позволила использовать уже существующие GSM-сети гораздо эффективнее. Услуга GPRS дала пользователям мобильный интернет с более высокой скоростью. Он начал приобретать очертания, уже привычные для пользователей компьютеров и ноутбуков.
 Третье поколение сотовых сетей 
    Голосовая связь в этом поколении отходит на вторые и даже третьи позиции в списке предлагаемых операторами услуг. 
    3G объединил в себе сразу пять стандартов:
 W-CDMA
 CDMA2000
 TD-CDMA/TD-SCDMA
 DECT (технология улучшенной цифровой беспроводной связи).
    Основой всех стандартов этого поколения служат протоколы множественного доступа с кодовым разделением каналов. 
    Технология UMTS, используя разработки W-CDMA, позволяет поддерживать скорость передачи информации на теоретическом уровне до 21 Мбит в секунду (при использовании HSPA+).
    
    
 Технология HSPA
    Следующим этапом развития сотовых сетей стала технология 3.5G или как ее еще наименовали HSPA (высокоскоростная пакетная передача данных). Теоретически скорость передачи данных составляла 14,4 Мбит/с, но сейчас скорость достигла уже 84 Мбит/с и более.
 Четвертое поколение сотовых сетей 
    Главной технологией этого поколения является технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов – OFDM. Помимо этой, используется еще и технология передачи данных MIMO (множество входов и множество выходов).
    Также исчезает разнообразие стандартов, таких как GSM, CDMA, UMTS и прочих. Несколько примеров на обывательском уровне. Музыкальный альбом загружается уже менее чем за 10 секунд, а все эпизоды любимого сериала за 7-10 минут. Впрочем, есть возможность не скачивать, а комфортно смотреть все фильмы в режиме онлайн. 
 Пятое поколение сотовых сетей 
    В настоящее время сети 5G находятся на стадии разработки. Требования к сетям пятого поколения достаточно велики. Пропускная способность сети должна быть свыше 10 Гбит/с, задержка при передаче данных не должна превышать и 1мс. Вдобавок, будет поддержка одновременного подключения до 100 миллионов устройств на 1 квадратный метр.
    Международный союз электросвязи разработал дорожную карту развития технологии на ближайшую пятилетку. Поставлена цель внедрения в жизнь стандарта к 2020 году.

 Принципы построения сетей LTE
 Архитектура сети LTE
     Термин LTE описывает эволюцию сети радиодоступа относительно сетей GSM и UMTS и появление нового стандарта Evolved UTRAN (E-UTRAN). Термин SAE (англ. System Architecture Evolution) описывает эволюцию ядра сети в EPC (англ. Evolved Packet Core), архитектура которого значительно изменена относительно прежних сетей GSM/3G. Существует собирательный термин EPS (англ. Evolved Packet System), объединяющий сеть радиодоступа E- UTRAN и ядро EPC.
     Сеть основана полностью на протоколе IP (англ. Internet Protocol), и больше не включает в себя домен с коммутацией каналов – для передачи речи в LTE используется только технология VoIP. IP-ядро сети снабжено простыми, но эффективными механизмами обеспечения качества обслуживания QoS (англ. Quality of Service) по требованию.
     
 Архитектура E-UTRAN
    Архитектура сети доступа LTE E-UTRAN (рис. 2.1) существенно отличается от 3G/3.5G UTRAN. Иерархический способ построения сети доступа меняется принципом «плоской» архитектуры, в которой элементы равноправно взаимодействуют друг с другом.
    Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети RNL (англ. Radio Network Layer) и уровень транспортной сети TNL (англ. Transport Network Layer). E-UTRAN включает в себя базовые станции eNB, которые представляют собой оконечные пункты для протоколов пользовательского уровня и уровня управления (U-plane и C-plane). Узлы eNB соединены между собой посредством интерфейса X2, а с EPC – посредством интерфейса S1. Интерфейс S1 поддерживает конфигурацию много точек – много точек.
      
Рисунок 2.1 – Архитектура E-UTRAN 

 Эволюция сетевой архитектуры SAE
    SAE – это сетевая архитектура, разработанная с целью бесшовной интеграции мобильной сети с другими сетями, работающими по протоколу IP (рис. 2.2).
    
      
     Рисунок 2.2 – Эволюция сетевой архитектуры SAE
     В сетях мобильной связи 2.5G и 3G домен коммутации пакетов строится на узлах SGSN и GGSN (англ. GPRS Gateway Service Node), а сеть доступа состоит из узлов NodeB и RNC (англ. Radio Network Controller). Революционный переход к архитектуре LTE/SAE призван оптимизировать производительность сети, максимизировать скорость передачи данных и минимизировать задержку, вносимую сетью. Поэтому вместо четырех типов узлов в плоскости пользователя (NodeB, RNC, SGSN, GGSN) архитектура EPS состоит из двух узлов. Всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: eNB и EPC. К основным функциональным элементам EPC относятся блок управления мобильностью MME (англ., Mobility Management Entity), и сетевой шлюз SAE-Gateway (GW), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW.
    Сокращение количества узлов в архитектуре сети до минимума приводит к уменьшению количества интерфейсов и упрощает работу сети, исключая необходимость конвертации протоколов сигнализации.
    Традиционные функции устранённого от управления потоком данных контроллера радиосети RNC, игравшего весьма значительную роль в сетях предыдущих поколений (управление радиоресурсами, сжатие заголовков, шифрование, надёжная доставка пакетов и др.) переданы непосредственно eNB.
    ММЕ работает только со служебной информацией (сетевой сигнализацией), 	поэтому IP-пакеты, содержащие пользовательскую информацию, через него не проходят. Преимущество наличия такого отдельного блока сигнализации в том, что пропускную способность сети можно независимо наращивать как	для пользовательского трафика, так и для служебной	информации. Главной функцией MME является управление пользовательскими устройствами UE (англ., User Equipment), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэндовер, установление служебных и пользовательских каналов и др.
    SAE осуществляет взаимодействие с другими беспроводными не-3GPP сетями, позволяя сетям с не-3GPP технологиями иметь прямой интерфейс с сетью LTE и управлять ими в пределах одной сети LTE/SAE.
    В новое эволюционное пакетное ядро EPC SAE встроены функции взаимодействия с другими беспроводными сетями. Интерфейс S2 позволяет Операторам связи расширять свои сети другими основанными на IP технологиями доступа, управляя такими функциями, как мобильность, хэндовер, биллинг, аутентификация и защита информации в пределах мобильной сети. В EPC используется также интерфейс S1 для соединения с сетью радиодоступа и интерфейс S3 для взаимодействия с SGSN в целях поддержки хэндовера с сетями GPRS. Интерфейс SGi предназначен для взаимодействия EPC и внешней IP-сети. 
 Основные элементы сети LTE
    В коммутационной подсистеме LTE-сети можно выделить следующие блоки:
 MME (англ. Mobility Management Entity) – узел управления мобильностью.
 S-GW (англ. Serving Gateway) – обслуживающий шлюз.
 P-GW (англ. Public Data Network Gateway) – шлюз соединения с сетями других операторов.
 HSS (англ. Home Subscriber Server) – сервер абонентских данных.
 PCRF (англ. Policy and Charging Rules Function) – узел выставления счетов.
 Узел управления мобильностью ММЕ
     Вся сигнальная информация плоскости управления (IMS Control Plane) обрабатывается элементом MME (Mobility Management Entity), рис. 2.2.
     MME – это центральный элемент опорной сети CN (англ. Core Network) LTE, взаимодействующий с пользовательскими устройствами UE по протоколу NAS (англ. Non-Access Stratum). Его функции охватывают управление и хранение данных пользователя, создание временных идентификаторов и их передачу пользовательским устройствам, аутентификацию пользователей, управление мобильностью и логическими каналами (bearers), а также является оконечной точкой NAS-сигнализации. Процедуры управления мобильностью в ММЕ охватывают поиск и отслеживание состояния пользовательского устройства в зоне обслуживания MME, управление установкой и освобождением ресурсов в зависимости от изменения состоянии пользовательского терминала, а также участие в хэндовере.
    Аутентификация и процедуры обеспечения защиты подразумевают взаимодействие с HSS (англ. Home Subscriber Server), при котором MME осуществляет    проверку    идентификации    пользователя    для    защиты      от несанкционированного доступа. Для этого пользовательскому терминалу временно присваивается специальный идентификатор, который называется глобальным уникальным временным идентификатором GUTI (англ. Globally Unique Temporary ID), что позволяет уменьшить количество передач IMSI через радиоинтерфейс. Кроме того, ММЕ выполняет обмен сигнальной информацией с SGSN для предоставления мобильности между 2G/3G и LTE сетями доступа и обеспечивает функции плоскости управления. Для управления абонентскими профилями и подключения к услугам MME получает абонентский профиль из HSS домашней сети и определяет на базе этого профиля пакетную сеть передачи данных, к которой необходимо подключить устройство этого абонента.
 Обслуживающий шлюз S-GW
    S-GW (англ. Serving Gateway) является шлюзом пользовательского трафика, а также трафика от 3GPP-сетей доступа 2G, 3G и LTE. Весь пользовательский трафик проходит через S-GW, который является опорной точкой при маршрутизации данных, как в случае передвижения пользователя в зоне обслуживания LTE, т.е. при хэндовере между eNB, так и в случае обеспечения мобильности между LTE и другими 3GPP-технологиями доступа, т.е. при выполнении хэндовера от и к 2G/3G-сетей. Следовательно, пользовательский трафик маршрутизируется через S-GW вне зависимости от технологии радиодоступа, в том числе измененной в процессе хэндовера. Возникает опорная точка, общая для всех 3GPP-технологий доступа: 2G/3G/LTE. При этом, если в процессе хэндовера изменяется MME, то S-GW также изменяется, но шлюз пакетной коммутации P-GW (англ. Packet Data Network Gateway) во всех случаях остается неизменным.
    Также, S-GW отвечает за передачу, маршрутизацию и буферизацию нисходящего трафика данных для UEs, который находится в неактивном состоянии в LTE-сети, терминирует передачу нисходящего трафика для пользовательского устройства в состоянии ECM-IDLE (англ. Idle State  Mobility Handling), т.е. становится представителем пользователя, находящегося в неактивном состоянии, а также инициирует запрос на обслуживание входящего сеанса связи, когда трафик требуется доставить к неактивному пользовательскому устройству. Для задач СОРМ (и не только) полезно подчеркнуть, что именно S-GW дублирует пользовательский трафик в случае его законного перехвата.
 Шлюз соединения с сетями других операторов P-GW
    P-GW является пограничным маршрутизатором пользовательского трафика между EPS и внешними пакетными сетями передачи данных.
    В функции P-GW входят распределение и назначения IP-адресов между пользовательскими устройствами, обеспечивает выполнение правил политики и тарификации PCEF (англ. Policy and Charging Enforcement Function), а именно – управление скоростью, управление доступом и фильтрацию пользовательских данных, а также подсчет использования транспортных ресурсов сети (трафика пользователя или длительности сессии). При этом пользовательское устройство может иметь несколько одновременных соединений через P-GW со многими внешними сетями.
 Характеристики сети LTE
    Физический уровень сетей LTE основан на двух сигнальных технологиях: 
 мультиплексирование с ортогональным частотным разнесением OFDMА (Orthogonal Frequency Division Multiple Access);
  мультиплексирование с частотным разнесением с передачей на одной несущей SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access).

Таблица 2.1. – Основные технические характеристики стандарта LTE
Характеристика
Значение
Полоса частот, МГц
1,4; 3; 5; 10; 15; 20
Множественный доступ
Нисходящий канал
OFDM

Восходящий канал
SC-FDMA
Символьная скорость
14000 символов/с
Помехоустойчивое кодирование
Турбокоды
Дуплексный режим
Частотный (FDD)
Временной (TDD)
Ширина полосы канала
Расширяется до 20 МГц
Пиковая скорость передачи данных
Нисходящий канал
150 Мбит/с 

Восходящий канал
75 Мбит/с

 Применение технологии OFDM
    Технология OFDM предполагает передачу широкополосного сигнала посредством независимой модуляции узкополосных поднесущих вида расположенных с определенным шагом по частоте ?f.
    S_k (t)=a_k?sin?[2??(f_0+k?f)]	(2.1)
    Один OFDM-символ содержит набор модулированных поднесущих. Во временной области OFDM-символ включает поле данных (полезная информация) и циклический префикс CP (англ. Cyclic Prefix) – повторно передаваемый фрагмент конца предыдущего символа (рис. 2.3). Назначение префикса – борьба с межсимвольной интерференцией в приемнике вследствие многолучевого распространения сигнала. Отраженный сигнал, приходящий с задержкой, попадает в зону префикса и не накладывается на полезный сигнал.  В LTE принят стандартный шаг между поднесущими ?f = 15 кГц, что соответствует длительности OFDM-символа 66,7 мкс.
    
Рисунок 2.3 – OFDM-символ с циклическим префиксом

     Каждому абонентскому устройству в каждом слоте назначается определенный диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области – ресурсная сетка (рис. 2.4). Ячейка ресурсной сетки (ресурсный элемент) соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM- символу – во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих с шагом ?f (всего 180 кГц), а также 7 или 6 OFDM-символов при стандартном или расширенном циклическом префиксе соответственно, с учётом, чтобы общая длительность слота составляла 0,5 мс. Число ресурсных блоков NRB в ресурсной сетке зависит от ширины полосы канала и составляет от 6 до 110 (ширина частотных полос восходящего/нисходящего каналов в LTE – от 1,4 до 20 МГц).
     
     Рисунок 2.4 – Ресурсная сетка LTE при стандартном шаге поднесущих ?f = 15 кГц
     Длительность	префикса	4,7	мкс	позволяет	бороться с задержкой отраженного сигнала, прошедшего путь на 1,4 км больше, чем прямо распространяющийся сигнал. Для систем сотовой связи в условиях города этого обычно вполне достаточно. Если же нет – используется расширенный префикс, обеспечивающий	 подавление межсимвольной интерференции в ячейках радиусом до 120 км.
     Каждая поднесущая модулируется посредством 4-, 16-и 64-позиционной квадратурной фазово-амплитудной модуляции (QPSK, QAM-16 или QAM-64). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. При стандартном префиксе символьная скорость составит 14000 символов/с, что соответствует, при FDD-дуплексе, агрегатной скорости от 28 до 84 кбит/с на поднесущую. Сигнал с полосой 20 МГц содержит 100 ресурсных блоков или 1200 поднесущих, что дает общую агрегатную скорость в канале от 33,6 до 100,8 Мбит/с.

 Применение технологии SC-FDMA
    Базовая архитектура передатчика и приемника с SC-FDMA почти полностью идентична архитектуре устройств, использующих метод OFDMA, и обеспечивает ту же степень устойчивости к многолучевому режиму. Лежащая в основе данного метода характеристика сигнала является одночастотной. 

Рисунок 2.5 – Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDMA и SC-FDMA

    В отличие от OFDMA, где на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция.
    Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC-FDMA- символ содержит несколько модуляционных символов (в идеале столько же, сколько поднесущих) но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA. 
 Система связи с нескольким передающими и несколькими приёмными антеннами MIMO
    В современных системах сотовой связи постоянно возрастают требования к их пропускной способности и ёмкости, что может быть достигнуто за счёт увеличения числа базовых станций, ширины полосы частот радиоканалов, ширины полосы частот радиоканалов или числа радиоканалов, а также повышения спектральной эффективности.
    Экономически оправданным является путь повышения эффективности использования радиочастотного спектра, т.е. меры пропускной способности системы в одной соте сети, приходящейся на единицу радиочастотного спектра. Одним из способов повышения спектральной эффективности является применение	метода	пространственного	кодирования	сигнала	MIMO, позволяющего увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн.
    Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.
 Основы системы MIMO
    Конфигурации антенн MIMO принято задавать в виде схем типа [N, M], где N – число элементов передающей антенны, M – число элементов приемной антенны (рис. 2.6). Исходя из конфигурации антенн, в LTE различают несколько режимов MIMO:
 SISO (англ. Single Input Single Output) – традиционный режим (без разнесения);
 SIMO (англ. Single Input Multiple Output) – одна передающая и несколько приемных антенн (разнесенный прием);
 MISO (англ. Multiple Input Single Output) – несколько передающих и одна приемная антенна (разнесенная передача);
 MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) – обобщение систем SIMO и MISO с использованием нескольких передающих и нескольких приёмных антенн.
    Кроме того, в LTE для MIMO дополнительно существуют два режима:
 SU-MIMO (англ. Single User MIMO) – реализация MIMO в соединении с единственным пользователем;
 MU-MIMO (англ. Multi User MIMO) – многопользовательская система, когда базовая станция с несколькими приёмо-передающими антеннами взаимодействует с несколькими абонентскими станциями, каждая из которых может иметь одну или несколько приёмо-передающих антенн.
    На передающей и приёмной сторонах систем MIMO используются многоэлементные антенны или антенные решётки, которые могут использоваться для сосредоточения энергии в направлении определённого абонента и формирования соответствующей диаграммы направленности в режиме адаптивного формирования луча диаграммы направленности, а также для формирования нескольких параллельных потоков данных в режиме пространственного мультиплексирования. 
     Совместное использование эффектов пространственного разнесения, пространственного мультиплексирования и формирования луча диаграммы направленности позволяет:
 повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
 повысить скорость передачи информации в системе;
 увеличить зону покрытия;
 уменьшить требуемую мощность передатчика.
     Потенциальная полезность систем MIMO для теоретически максимально возможного увеличения производительности сети связи ограничивается свойствами   многолучевого   канала   и   физически   реализуемыми антенными системами, обеспечивающими	допустимые требования	к корреляционным связям сигналов на элементах антенной решетки. 
 Математическая модель системы MIMO
    
     Рисунок 2.6 – Структурная схема системы MIMO
    Каждый излучающий элемент антенной решетки работает, как автономный передатчик упорядоченного блока символов распараллеленного цифрового потока. Приемная решетка собирает со своих элементов поступившие блоки в установленном порядке в исходный последовательный поток. Вся система работает в полосе частот, не превышающей 20 МГц, узкой по сравнению с несущей частотой, как правило, превышающей 2 ГГц. Основная проблема в физической реализации приведенной схемы MIMO заключается в обеспечении независимости потоков: лучи не являются физически изолированными, а являются частью электромагнитного потока от передатчика к приемнику.
    Реальные радиоканалы передачи сигналов характеризуются многолучевостью. Сигнал от передатчика к приемнику может иметь прямой (основной) луч, а также отражённые лучи, которые по амплитуде слабее основного, имеют задержку по времени и сдвиг по фазе относительно основного луча (канал Райса). В условиях плотной городской застройки прямой луч может отсутствовать, и сигнал испытывает отражения наряду с другими переотраженными лучами (канал Релея).
 Организация информационных каналов
    Для того, чтобы данные могли быть транспортированы через интерфейс радио LTE, используются различные «каналы». Они используются для того, чтобы выделять различные типы данных и позволить им транспортироваться через сеть доступа более эффективно.
    Есть три категории, в которые могут быть сгруппированы различные каналы передачи данных:
    Логические каналы – предоставляют услуги среднего уровня управления доступом МАС в пределах структуры протокола LTE. Логические каналы по типу передаваемой информации делятся на логические каналы управления и логические каналы трафика. Логические каналы управления используются для передачи различных сигнальных и информационных сообщений. По логическим каналам трафика передают пользовательские данные.
    Транспортные каналы – транспортные каналы физического уровня предлагают передачу информации в МАС и выше. Информацию логических каналов после обработки размещают в транспортных каналах для дальнейшей передачи по радиоинтерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет, как и с какими характеристиками происходит передача информации по радио интерфейсу. Информационные сообщени.......................