Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Научный обзор: проблемы обеспечения электромагнитной совместимости современных и перспективных радиосистем сотовой связи(часть 4)
Scientific review: problems of ensuring electromagnetic compatibility of modern and prospective radio cellular communication systems
(part 4)

Данная часть обзора завершает публикацию материала, посвященного новым подходам к оценке и выполнению условий ЭМС перспективных радиотехнологий семейства IMT This part of the review concludes the publication of material about new approaches to the evaluation and implementation of EMC conditions for perspective radio technologies of the IMT
Василий Скрынников
Эксперт ПАО "МТС", Руководитель Рабочей группы
"ЭМС сетей и систем связи" отделения ИТТ РАЕН (Россия), к.т.н.
Vasily Skrynnikov
Head of the Working Group "EMC Networks and Communication
Systems", ITT Branch of the Russian Academy of Natural Sciences (Russia), Ph.D.
Ключевые слова:
ЭМС, GSM, LTE
Keywords:
EMC, GSM, LTE

Прикладные задачи

Исследование условий совмещения сетей двух стандартов, GSM и LTE, в диапазоне частот 1800 МГц

Диапазон радиочастот 1800 МГц, использовавшийся до недавнего времени только в сетях сотовой связи GSM, вызвал в последние годы особый интерес, связанный с появлением сетей нового стандарта LTE. Благодаря соответствующим физическим свойствам на радиочастотах этого диапазона можно обеспечить одновременно и высокую пропускную способность, ихорошее радиопокрытие в сетях сотовой связи. Сегодня в мире более 45% коммерческих сетей этого стандарта используют данный диапазон радиочастот [1]. Большинство операторов связи пытаются при этом сохранить исети GSM с минимальными потерями их производительности. Это обстоятельство обуславливает проблему совмещения сетей двух стандартов в общем диапазоне частот 1800 МГц, причем таким образом, чтобы одновременно получить высокую производительность новой сети LTE и минимально потерять производительность существующей сети GSM при распределении ограниченного радиочастотного ресурса между ними. По этой причине оптимизация его использования в совмещенных сетях GSM/LTE1800 представляется крайне важной. Одним из приемлемых решений такой задачи может служить применение в совмещаемой сети GSM стандартизованной процедуры псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ). В стандартах GSM эта процедура получила название Frequency Hopping (FH) [2–4]. Это решение относится не столько к практической (организационно-технической) задаче, сколько является предметом теоретических исследований, поскольку взаимодействие двух сетей разных стандартов приводит к решению новой теоретической задачи, изменяющей известные результаты из области совмещения однородных сетей GSM за счет введения режима ППРЧ [5–7]. Подробно оно описано в [8].

Текущие условия

Проведенный анализ показал, что в большинстве случаев в сетях GSM1800 доступным является частотный ресурс в дуплексных полосах радиочастот 2х14,8 МГц. На рис. 33 показаны возможные сценарии его распределения между совмещаемыми сетями.


Исходя из текущей стратегии операторов связи, указанный частотный ресурс обеспечивает построение сети с конфигурацией 4х3х4 (кластер из 4 сот, по 3 сектора в каждой соте и по 4 частоты в каждом секторе), как показано на рис. 33 А; количество частотных каналов в каждом секторе такого кластера условно назовем емкостью кластера сети GSM.

Выделение непрерывной полосы 4,5 МГц для сети LTE со стандартизованной шириной канала 5 МГц не повлечет за собой изменения конфигурации каналов GSM, позволив сохранить первоначальную емкость кластера (100%), как показано на рис. 33 В. Однако при этом пропускная способность сети LTE будет составлять лишь 50% от потенциально эффективного показателя при ширине канала 10 МГц [9].

Для достижения потенциального показателя для сети LTE со стандартизованной шириной канала потребуется выделить активный ресурс 9 МГц. Такое перераспределение ресурса повлечет за собой уменьшение конфигурации каналов в сети GSM, число частотных каналов в каждом секторе сократится вдвое, емкость кластера составит 50% от первоначального значения, как показано на рис. 33 С.

В качестве компромиссного решения рассматривается увеличение снизившейся емкости кластера сети GSM за счет введения процедуры ППРЧ, позволяющей сохранить первоначальное количество частотных каналов (по 4 канала) в каждом секторе при меньшем частотном ресурсе. Особенности введения процедуры ППРЧ (см. рис. 33 D):

  • необходимость назначения фиксированных частот для служебных каналов BCCH с их переиспользованием (по одному общему каналу на смежный взаимодействующий сектор в кластере 4х3);
  • использование перестраиваемых несмежных частотных каналов (частот) в сетке ППРЧ с интервалом 0,4 МГц между их центральными частотами. Такое условие выбрано с учетом результатов ранних исследований, показавших значительное влияние смежных частотных каналов при ППРЧ [2]. На рис. 33 интервалы между частотами показаны как защитные каналы;
  • возможное перекрытие (пересечение) в частотной области канала LTE динамично перестраиваемых частот GSM с каналом LTE (LTE+GSM_ППРЧ), степень этого перекрытия будет зависеть от выбранного количества частот в сетке ППРЧ.

Метод исследований

При выбранном сценарии распределения частотного ресурса, показанном на рис. 33 C, задачу исследований можно свести к двум составляющим:

  • оценка минимально требуемого количества частот для сетки ППРЧ при приемлемом ухудшении связи в сети GSM (снижении емкости кластера);
  • оценка условий совмещения "пересекающихся" сетей LTE и GSM_ППРЧ при учете их взаимного влияния и допустимом ухудшении связи (потери пропускной способности в сети LTE и емкости кластера в сети GSM).

В качестве метода исследований (оценки) целесообразно применить комбинирование статистического моделирования и аналитических расчетов.

Теория вопроса

В теории в качестве параметра для оценки взаимного влияния при ППРЧ используют вероятность ухудшения связи (нарушения нормального функционирования в виде появления ошибок в передаваемых данных), которая описывается следующей зависимостью:

где Pe – полная вероятность ухудшения связи;

Pсч - вероятность совпадения частот разных передатчиков, при котором возникают помехи (вероятность конфликта);

Ресч - вероятность ухудшения связи при совпадении частот;

Ренсч - вероятность ухудшения связи при несовпадении частот (из-за помех на текущей частоте, не связанных с ППРЧ): при низком отношении "сигнал/шум" в радиоканале (чрезмерная удаленность мобильной станции, некачественное радиопокрытие и т.п.), при помехе от соседнего частотного канала.

Очевидно, что вероятность Peнсч является вероятностью влияния помех внутри традиционной сети GSM (без ППРЧ) при "ручном" назначении рабочих частот, когда Δf ≥ 0,4 МГц. В силу этого найдем степень ухудшения связи при введении ППРЧ в виде соответствующей вероятности:

При равномерном распределении номеров частот в сетке ППРЧ вероятность совпадения двух и более частот на разных передатчиках подчинена биномиальному распределению и определяется выражением:

где nTx - число передатчиков (Tх) с ППРЧ;
Pf - вероятность излучения на частоте fk, k = 1, 2, …, Nf, т.е. вероятность появления k-й частоты, Рf = 1/Nf - равномерное распределение;
Nf - количество частот в сетке ППРЧ;
Cni Tx - биномиальный коэффициент.

Приведенные выражения позволяют оценить степень влияния передатчиков с ППРЧ друг на друга (внутрисистемные помехи). В исследованиях оценка этого влияния была произведена для сети GSM-1800 в соответствии со сценарием, показанным на рис. 34.


В сценарии был выбран кластер сети GSM, состоящий из четырех сот, их взаимное воздействие будет наблюдаться между тремя смежными секторами: сектор собственной соты (СС) и два сектора смежных сот (СмС1 и СмС2). Поскольку предполагается, что ППРЧ в сети GSM позволит сохранить по 4 передатчика в каждом секторе, то и в сценарии было выбрано такое их количество (4Tx).

Результаты моделирования и расчета по оценке влияния ППРЧ в сети GSM

Была оценена полная вероятность совокупного ухудшения связи из-за влияния ППРЧ в собственной соте и от двух смежных секторов кластера 4х3 сети GSM как сумма вероятностей трех совместных событий:

  • помехи от передатчиков в собственной ячейке (СС);
  • помехи от первого смежного сектора (СмС1);
  • помехи от второго смежного сектора (СмС2).

Значения рассчитанных вероятностей приведены в табл. 12 и на рис. 35.



Полученные результаты позволяют сделать главный вывод о том, что для функционирования сети GSM без ощутимых помех наиболее приемлемыми являются сетки ППРЧ, состоящие из 20 частот и более с интервалом между частотами, равным 0,4 МГц. Использование такого количества частот в сетке ППРЧ может обеспечить работу практически без помех четырех передатчиков в каждом из секторов сети GSM1800, при сохранении прежней емкости сети (см. рис. 33).

Однако, учитывая наличие совмещенной сети другого стандарта LTE, следует оценить, как поведет себя эта сеть при возникшем наложении частот ППРЧ от GSM (см. рис. 33 D). Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо помимо влияния ППРЧ в сети GSM оценить, каково будет взаимное помеховое влияние двух сетей GSM и LTE. Для исследования этого вопроса используем статистические модели описанного выше сценария (см. рис. 34).

Влияние LTE на сеть GSM

При оценке этого влияния были приняты некоторые допущения. Во-первых, не учитывались помехи сети LTE от ее смежных секторов, поскольку они не должны оказывать практически никакого воздействия на испытываемые абонентские устройства LTE и GSM, благодаря наличию стандартизованной процедуры координации внутрисистемных помех ICIC (eICIC) [5]. Во-вторых, размер зоны обслуживания в сети LTE при ширине канала 10 МГц значительно меньше, чем у GSM, что позволяет также не учитывать дополнительное влияние помех со стороны смежных сот сети LTE на испытываемое абонентское устройство GSM. С учетом процедуры ICIC вероятность ухудшения связи в сети GSM_ППРЧ от воздействия сети LTE оценим по приближенной формуле, схожей с (13)

где Peсч(LTE) – вероятность ухудшения связи в сети GSM при совпадении фиксированной рабочей частоты (без ППРЧ) с полосой канала LTE. Параметр ρ, входящий в эту формулу, определяет долю полосы ППРЧ, перекрывающуюся с активным каналом LTE (LTE+GSM_ППРЧ/GSM_ППРЧ на рис. 33 D). По физическому смыслу он соответствует ранее используемой вероятности совпадения частот при ППРЧ Pсч. В табл. 13 показано соотношение частотного ресурса в двух совмещаемых сетях при разном количестве частот в сетке ППРЧ.


Это соотношение в совокупности с результатами статистического моделирования позволяет оценить значения вероятности ΔРе(lte), которые приведены в табл. 14.


Знание этой вероятности в свою очередь позволяет рассчитать полные вероятности ухудшения связи в сети GSM при совокупном влиянии на нее процедуры ППРЧ вместе с помехами от сети LTE.


Эта вероятность может быть рассчитана как сумма вероятностей ΔРе(LTE) (см. табл. 14) и ΔРе(кла-стер) (см. табл. 13) двух совместных событий. Рассчитанные значения этой вероятности приведены в табл. 15 (колонка "Сеть GSM").

Влияние GSM на сеть LTE

Степень влияния сети GSM с сетками ППРЧ и перекрытиями ею канала LTE, рассмотренными ранее, оценивалась статистическим моделированием в полном сценарии по потерям пропускной способности сектора сети LTE. Значения этих потерь приведены также в табл. 15 (колонка "Сеть LTE").

Окончательные оценки, сведенные в результирующую табл. 15, свидетельствуют о том, что приемлемым условием для совмещения в диапазоне частот 1800 МГц сети LTE с шириной канала 10 МГц и сети GSM с ППРЧ является выбор количества частот, равного 10, в крайнем случае – 15, при котором потери пропускной способности сети LTE не будут превышать допустимые значения (< 5%), а потери емкости кластера сети GSM не превысят 20%, в результате чего итоговая его емкость составит не менее 80% от первоначальной.

Этот результат не противоречит известному факту, что эффективность ППРЧ растет прямо пропорционально количеству частот, поскольку он был получен применительно к двум сетям разных стандартов. Это и обусловило необходимость ограничения количества частот в сетке ППРЧ сети GSM.

Полученные результаты отражают граничные количественные показатели ухудшения связи, т.е. верхнюю границу. Они показывают тот порог ухудшения связи, который в реальных сетях может быть значительно ниже, но не выше.

Оценка электромагнитной совместимости сетей UMTS и РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн

Здесь рассматривается предложенный подход к оценке условий электромагнитной совместимости базовых станций сети UMTS и РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн, которые составляют значительную долю потенциально несовместимых радиосредств, работающих в диапазоне радиочастот 2 ГГц. Именно этот вид РЭС выбран в силу своей специфики. Эта специфика, в отличие от других РЭС, состоит в том, что из-за сканирования узкой диаграммы направленности антенны обеспечивается четкое пространственное деление сети на отдельные фрагменты. Как следствие этого, потенциальная помеха от сети UMTS составляет некоторую долю от излучаемой всеми базовыми станциями суммарной мощности. Под РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн подразумеваются радиоэлектронные средства с адаптивными ФАР, у которых сравнительно узкая диаграмма направленности сканирует в направлении подвижного источника полезного сигнала, а также РЛС различного назначения. Далее такие радиоэлектронные средства называются просто РЭС.

Суть подхода

При вращении антенны РЭС количество БС NΔ, попадающих в область S2 вращающейся диаграммы направленности (ДН), зависит от ширины этой ДН, удаления от РЭС, плотности размещения БС в сети UMTS и подчиняется распределению Пуассона (см. рис. 36)

Параметр λ представляет собой среднее число БС на площади S2 для плотно упакованной структуры сети и равен:

где k=1,95 - коэффициент для расчета площади 3-cекторной гексагональной соты;
r - радиус соты [10].


В табл. 16 приведены размеры площади S2 (в км2), в область которой попадают базовые станции сети UMTS при вращении диаграммы направленности РЭС, в зависимости от удаления этого РЭС от границ сети.


Предположив, что сеть UMTS имеет плотно упакованную гексагональную структуру, следует ожидать, что по мере удаления от РЭС число БС в пределах площади S2 должно расти. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах и моделировании, а именно необходимо знать расстояние между РЭС и равноудаленными группами БС, а также количество БС в каждой из этих групп. Разобьем площадь S2 на условные слои, как показано на рис. 37.


Если шаг слоя Δ выбрать равномерным и равным диаметру соты, т.е. Δ =2 r, то количество базовых станций NΔi в i-й группе (слое) и их удаление Ri будут определяться следующими выражениями:

В качестве примера на рис. 38 приведены результаты расчета по формулам (14) при различной ширине диаграммы направленности антенны РЭС (20, 40, 60 и 100) для Rmin = 70 км, Rmax = 90 км, r = 1,5 км и k = 1,95 (3-секторная сота). Эти результаты показывают, что при выбранных условиях количество БС в слоях зависит в значительной степени от ширины сканирующей диаграммы направленности антенны РЭС и при узкой диаграмме направленности мало зависит от удаления базовых станций.


Знание количества БС в области S2 сканирующей диаграммы направленности антенны РЭС, которые условно распределены по равноудаленным группам, и удаления каждой из этих групп от РЭС дает возможность оценить степень помехового воздействия сети UMTS на это РЭС.

Расчет энергетики на входе приемника РЭС

Требования по защищенности от помех у разных типов РЭС, как правило, различны, поэтому в рамках рассматриваемой задачи необходимо задаваться достаточностью определения для оценки ЭМС лишь уровня помех на входе приемника РЭС. Как было показано в [11], мощность помехи от NΔ базовых станций сети UMTS может быть представлена в виде суммы мощностей каждой из этих БС. Эта суммарная мощность помехи складывается из мощностей излучения БС в imax слоях, в каждом из которых находится NΔi базовых станций.

При этом мощность помехи на входе приемника РЭС от каждой k-й БС зависит от мощности излучения k-го передатчика помех Pk, частотных характеристик передатчика БС (маски спектра сигнала) ak(Δf), разноса по частоте Δf, коэффициентов усиления антенн k-го передатчика БС GTX, k(Θ) и приемника РЭС GRX(Ф), зависящих от углов Θ и ф, которые определяют взаимное направление на рассматриваемые РЭС, а также потерь L(Ri) на трассе распространения сигнала k-го передатчика помех, удаленного от РЭС на расстояние Ri.

В свою очередь, мощность излучения Pk отдельной Б С имеет сложный характер, зависит от целого ряда факторов и описана в [12]. С учетом [12] уровень суммарной помехи Pn£ на входе приемника РЭС будет выражаться как

Это выражение содержит следующие переменные [12]: М k - количество пользовательских каналов в k-й базовой станции, обеспечивающихся в некоторый момент времени; Рш АТ - мощность шума в приемнике абонентского терминала (АТ); r)DL k, j - коэффициент загрузки сети в j-м нисходящем канале; L(dkj) - потери на трассе распространения сигнала между БС и АТ в j-м пользовательском канале; dkj - расстояние между ними; GБС kj – коэффициент усиления антенны k-й БС в направлении на АТ в j-м пользовательском канале; gPC kj - коэффициент регулирования мощности излучения в j-м пользовательском канале k-й БС; Gp k, j - коэффициент энергетического выигрыша за счет расширения спектра сигнала в j-м пользовательском канале k-й БС; требуемое отношение "сигнал/шум" на входе приемника АТ в j-м пользовательском канале k-й БС; vk,j - активность абонентов в j-м пользовательском канале k-й БС; pkj - коэффициент ортогональности сигнала (кодов разделения) в j-м пользовательском канале k-й БС. В реальных условиях многие из перечисленных параметров носят случайный характер или являются просто переменными.

При предварительной оценке ЭМС необходимо рассматривать как случайные следующие параметры в выражении (15):

  • количество базовых станций, попадающих в область вращающейся диаграммы направленности РЭС (NΔ);
  • взаимное удаление БС сети UMTS и РЭС (Rj);
  • взаимное относительное направление на РЭС (GБС, к(Θ), GРЭС(ф));
  • количество активных пользователей или пользовательских каналов в отдельной БС сети UMTS (М);
  • взаимное удаление РЭС в сети UMTS (dkj);
  • динамическая регулировка мощности передатчика БС (gPC kj).

Перечисленные параметры обуславливают случайный характер суммарной помехи на входе приемника РЭС и по своей природе являются независимыми случайными величинами. Задавшись характером их распределения, можно оценить среднестатистическое значение уровня суммарной помехи на входе РЭС

Символ М{ } означает математическое ожидание параметра, заключенного в фигурные скобки. Указанное усреднение суммарной мощности помехи может быть легко произведено на статистических моделях, позволяющих задавать конкретный закон распределения соответствующих случайных параметров. Ниже приводятся результаты моделирования на статистической модели SEAMCAT [10, 13, 14].

Статистическое моделирование

Для получения статистических оценок влияния базовых станций сети UMTS на РЭС моделировалась ситуация, показанная на рис. 39. Следует особо отметить, что приведенные результаты статистического моделирования не являются строго реальными в силу того, что в качестве некоторых исходных параметров РЭС были выбраны условные параметры. Эти результаты главным образом иллюстрируют применение рассматриваемого подхода к оценке ЭМС.


На рис. 40 приведены результаты статистического моделирования в виде зависимости суммарного уровня помехового сигнала на входе приемника РЭС от одинакового количества БС, попадающих как в главный, так и в боковые лепестки диаграммы направленности антенны РЭС при разных удалениях средств. Указанные на рисунке цифры показывают значение требуемой ограниченной мощности излучения БС в сети UMTS.


Эти результаты позволяют оценить необходимый территориальный разнос и требуемые ограничения мощности излучения базовых станций сети UMTS при различной плотности их размещения. Так, при трех базовых станциях в главном и боковом лепестках ДН антенны РЭС требуемое минимальное удаление БС без введения ограничений по мощности их излучения составляет 10 км, аналогично для 7 БС – 15 км.

Практическая реализация предложенного подхода

Главный акцент был сделан на статистическую оценку ЭМС сетей UMTS и радиолокационных станций на этапе предварительного их планирования. При оценке же условий электромагнитной совместимости реальных сетей UMTS на этапе проведения экспертизы на ЭМС некоторые параметры, входящие в выражение (16), переходят в разряд детерминированных параметров. К таким параметрам следует отнести:

  • количество базовых станций, попадающих в область вращающейся диаграммы направленности РЭС (NΔ);
  • взаимное удаление БС сети UMTS и РЭС (Rj);
  • взаимное относительное направление на РЭС (GБС,к(Θ), GРЭС(φ)).

Эти параметры в качестве исходных данных для статистического моделирования содержатся в проектах частотно-территориальных планов (ЧТП). С помощью специально составленных несложных программ можно легко осуществлять их отбор из массива ЧТП. Пример алгоритма, реализующего описанный подход, показан на рис. 41. При удалении РЭС менее чем на 30 км аналогично вычисляется помеховый сигнал по боковому лепестку ДН антенны РЭС (шаги 2–6 на рис. 41).


Рассмотренный подход может значительно упростить (как по объему, так и по временным затратам) процедуру оценки условий совместного использования радиоэлектронных средств сетей UMTS и радиолокационных станций различного назначения при проведении экспертизы на ЭМС, а также может позволить делать прогноз по возможному изменению установленных условий ЭМС при дальнейшем наращивании сетей UMTS.

ЭМС сетей LTE с разными видами дуплекса

Данная задача рассмотрена для диапазона частот 2,6 ГГц. Для полосы частот 2500–2690 МГц в этом диапазоне приняты частотные планы, которые предполагают функционирование сетей LTE с разными видами дуплекса [15–17]. Однако с точки зрения ЭМС временной дуплекс TDD имеет свою специфику, которая может оказывать существенное влияние на электромагнитную совместимость сетей, она была описана в [18–20]. Такой спецификой является наличие преимущественного взаимного помехового влияния базовых станций смежных сетей LTE.

Общие рекомендации по обеспечению ЭМС отмеченных сетей LTE даны в Отчетах СЕРТ № 19 [18] и № 39 [21]. Эти рекомендации сводятся к следующему:

  • защите в первую очередь подлежат сценарии БС?БС как имеющие наиболее высокий уровень воздействия помех, поскольку передатчик БС имеет высокую ЭИИМ, приемник БС имеет более высокую чувствительность, меньший уровень внутренних шумов и коэффициент усиления антенны, отличный от нуля;
  • при смешанных видах дуплекса в сетях LTE защита должна осуществляться за счет TDD, т.е. возможные ограничения по мощности излучения и требуемые защитные полосы вводятся в рамках ресурса сетей TDD;
  • защитные меры реализуются в пределах стандартизованных частотных блоков размером 5 МГц, которые в зависимости от сценария могут иметь статус защитной полосы частот или блока, ограниченного по мощности излучения (ограниченный блок).

Взаимное влияние сетей FDD-TDD

Механизм появления помех поясняется на рис. 42 и рис. 43. На рис. 43 показано влияние сетей LTE с частотным и временным видами дуплекса (сценарии 1 и 2).


В сценарии 2 базовая станция сети FDD-DL в процессе передачи нисходящего трафика излучает постоянно. Ее помеховое влияние на приемник БС сети TDD (сеть-2) будет иметь место только при приеме, т.е. в течение Uplink.


Аналогично влияние базовой станции TDD (сеть-1) на приемник базовой станции FDD-UL, постоянно принимающий восходящий трафик, будет иметь место только при передаче БС TDD, т.е. в течение Downlink. Значения вероятностей этих событий приведены в табл. 17.


По своей сути они являются вероятностями появления помех в том или ином сценарии взаимодействия сетей LTE-TDD и LTE-FDD. Их зависимости от конфигурации передач при TDD показаны на графиках рис. 44.


Из графиков видно, что вероятность появления помех для TDD (сеть-2) со стороны сети FDD-DL намного ниже, чем вероятность их появления для сети FDD-UL со стороны TDD (сеть-1). Учитывая этот неоспоримый факт, можно утверждать, что оценка условий ЭМС для сетей LTE с дуплексом TDD несомненно должна строиться на вероятностном подходе и учитывать вероятности появления помех при каждой конкретной конфигурации передач.

Взаимное влияние сетей TDD-TDD

Механизм влияния сетей LTE-TDD друг на друга поясняется на рис. 45. Причем на рис. 45а показаны случаи, когда обе взаимодействующие сети синхронизированы в единой шкале времени от единого источника, но имеют одинаковые (верхний рис.) и разные (нижний рис.) конфигурации передач. Наиболее интересным для практики является случай, когда взаимодействующие сети не синхронизированы между собой.


На рис. 45б видно, что взаимные помехи появляются при одновременном совпадении случайно меняющихся временных окон DL-UL разной длительности. С точки зрения теории это два независимых пуассоновских потока, и в рамках рассматриваемой задачи вероятность таких совпадений можно трактовать как полную вероятность появления взаимных помех в сценарии БС?БС. Выражение для нее будет иметь следующий вид:

где

p1 - вероятность передачи БС в DL в сети-1 (определяется конфигурацией передач TDD);
p2 - вероятность передачи БС в DL в сети-2 (аналогично).

Вероятность влияния сетей при разных конфигурациях в них может быть рассчитана на основании приведенного выражения. Значения этих вероятностей для некоторых соотношений (комбинаций) конфигураций в обеих сетях LTE-TDD приведены в табл. 18.


Выбранные соотношения конфигураций обеспечивают наименьшее взаимное влияние сетей.

Степень влияния помех

Известно, что влияние помех в сетях LTE оценивается по степени снижения пропускной способности в Downlink или Uplink. Допустимыми считают потери, не превышающие, как правило, 5%. Для рассмотренных выше сценариев влияние помех показано на рис. 46–48 в виде потерь пропускной способности в направлениях передач, подверженных помеховому воздействию.


На основе приведенных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Полученные оценки свидетельствуют о необходимости учета вероятностного характера появления помех в сетях LTE с дуплексом TDD. Минимизацию влияния помех в смежных сетях LTE можно обеспечить за счет оптимизации конфигурации передач DL:UL при этом дуплексе.

2. Потери пропускной способности в смежных сетях LTE с разными видами дуплекса зависят от характера среды, поскольку условия распространения сигнала между антеннами этих сетей практически одинаковы из-за близости их размещения, а сигналы в сетях, в том числе и полезный сигнал, испытывают разное влияние разных сред. По этой причине потери пропускной способности в условиях города наиболее существенны и превышают допустимые 5%. Таким образом, основные проблемы наблюдаются именно в городских условиях, и для их разрешения потребуются дополнительные меры (к примеру, установка внешних полосовых фильтров в передатчике и приемнике базовых станций, наклон антенн базовых станций и др.).


3. Как и ожидалось, среди рассмотренных сценариев не лучшим является и случай помехового воздействия сетей LTE-TDD друг на друга, несмотря на самую малую вероятность его появления. Поэтому оптимальным решением для этого сценария может быть синхронизация сетей TDD на базе единого источника (GPS/ГЛОНАСС), хотя и здесь будут иметь место проблемы, связанные с необходимостью синхронизировать конфигурации передач в сетях LTE разных конкурирующих операторов.


4. Наиболее благоприятным является сценарий, в котором сеть LTE-DL с дуплексом FDD оказывает влияние на сеть LTE-UL с дуплексом TDD (сценарий 2 на рис. 42). Причиной этого является меньшая вероятность появления помех. Этот выявленный факт имеет особую практическую значимость. На его основе можно заключить, что в отдельных случаях для рассматриваемого сценария можно допустить ширину защитной полосы в 5 МГц без применения каких-либо дополнительных технических мер. Так, для открытой местности такую полосу можно считать приемлемой, для пригорода потребуется защитная полоса шириной 8,5 МГц (если строго соблюдать требование по потере пропускной способности не более 5%) и для условий города - более 15 МГц, что потребует применения дополнительных технических мер.

Теория вопроса

Ниже показана теоретическая основа и методология получения приведенных выше оценок. В общем случае упомянутая выше степень снижения пропускной способности в направлениях передач Downlink или Uplink сети LTE может быть выражена в виде

где R(n)(max) – реальная пропускная способность в сети LTE при наличии помех;
R(расч )(max) - пропускная способность в сети LTE при отсутствии помех (рассчитанная пиковая скорость передачи данных для соответствующих условий).

Для рассматриваемого случая, когда имеют место сценарии с сетями LTE-TDD, потери пропускной способности η будут иметь несколько иной характер

где η - снижение пропускной способности в ячейке сети LTE при воздействии усредненных помех;

Rmax - усредненная пропускная способность в сети LTE при воздействии помех.

Особенность (17) состоит в том, что пропускная способность при воздействии помех Rmax - есть максимальная скорость передачи данных, усредненная статистически по вероятности влияния помех pn, т.е.

где pn - указанная выше вероятность (зависит от сценария взаимодействия сетей и конфигурации передач в LTE-TDD);

(1 - pn) – вероятность отсутствия помех;

С учетом этого выражение (17) можно представить в следующем виде:

Полученный результат показывает, что снижение пропускной способности ( ц) в сети LTE при воздействии усредненных помех отличается от аналогичного показателя (г\) в обычных сетях LTE (без дуплекса TDD) на коэффициент pn, который является вероятностью появления помех при временном дуплексе. Этот результат позволяет оптимизировать конфигурации передач в сети LTE-TDD и оценить для них требуемые условия ЭМС. Основываясь на этом результате и были получены приведенные выше оценки с применением статистической модели SEAM CAT при параметрах, указанных в табл. 19.


Литература

  1. Spectrum used currently in commercially launched LTE FDD networks. - GSA’s Evolution to LTE report. December 5, 2013.
  2. 3GPP TS 05.01 v8.9.0 (2004-11). Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Networks; Physical layer on the radio path; General description. - Technical Specification. (Release 1999). 2004.
  3. 3GPP TS 05.02 v8.11.0 (2003-06). Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Networks; Multiplexing and multiple access on the radio path. - Technica Specification. (Release 1999). 2003.
  4. Тихвинский В.О., Терентьев СВ. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. - М.: Эко-Трендз, 2007 С. 400.
  5. Скрынников В.Г. Эффективность режима ППРЧ в сотовых сетях стандарта GSM // Мобильные системы. - № 5. - 2006.
  6. Скрынников В.Г. Повышение эффективности использования радиочастотного ресурса в сетях GSM/UMTS в диапазонах частот 900 МГц и 1800 МГц // Мобильные телекоммуникации. - № 1. - 2009
  7. Скрынников В.Г. Семь раз отмерь, один совмести // Радиочастотный спектр. - № 4. - 2014.
  8. Скрынников В.Г. Исследование условий совмещения двух стандартов - GSM и LTE - в диапазоне частот 1800 МГц // Электросвязь. - № 3. - 2014
  9. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория ипрактика. - М.: Спорт и Культура-2000. - 2012. С. 865
  10. Ch. Chevallier, Ch. Brunner, A. Garavaglia, Kenn P Murray Kenneth R. Baker. WCDMA (UMTS). Deployment Handbook. Planning and Optimization. - Wiley. - 2006
  11. Скрынников В.Г. Оценка условий ЭМС при учете особенностей радиоинтерфейса системы UMTS // T-Comm. - № 2. - 2008.
  12. Скрынников В.Г. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA // Электросвязь. – № 3. – 2008.
  13. Скрынников В.Г. SEAMCAT – эффективное средство для оценки ЭМС в сетях связи // Мобильные Телекоммуникации. – Апрель, 2006.
  14. Скрынников В.Г. Особенности оценки электромагнитной совместимости РЭС сетей UMTS и РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн // T-Comm. – № 4. – 2008.
  15. Recommendation ITU-R M.1036-3. Frequency arrangements for implementation of the terrestrial component of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) in the bands 806–960 MHz, 1 710–2 025 MHz, 2 110–2 200 MHz and 2 500–2 690 MHz. – 2007.
  16. ECC Decision of 18 March 2005 on harmonized utilization of spectrum for IMT-2000/UMTS system operating within the band 25000–2690 MHz. – ECC/DEC/(05)05. 2005.
  17. Скрынников В.Г. Временной дуплекс TDD в системах LTE // Мобильные Телекоммуникации. – № 4. – 2010.
  18. CEPT Report 19. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive technical conditions for frequency bands addressed in the context of WAPECS. – Electronic Communications Committee (ECC). – 2008.
  19. Скрынников В.Г. ЭМС сетей LTE с разными видами дуплекса в диапазоне 2,6 ГГц // Радиочастотный спектр. – № 3. – 2012.
  20. Скрынников В.Г. ЭМС сетей LTE с разными видами дуплекса в диапазоне 2,6 ГГц. // T-Comm. – № 8. – 2013.
  21. CEPT Report 39. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive technical conditions for 2 GHz bands. Final Report. – Electronic Communications Committee (ECC). – 2010.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2017
Посещений: 4520

Статьи по теме

  Автор

Василий Скрынников

Василий Скрынников

Эксперт ОАО "Мобильные ТелеСистемы", к.т.н.

Всего статей:  11

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций