VILNIAUS UNIVERSITETAS

FIZIKOS FAKULTETAS

RADIOFIZIKOS KATEDRA

Raimondas Girštautas

TD-LTE TINKLO KOMPIUTERINIS MODELIAVIMAS IR EKSPERIMENTINIS

ĮVERTINIMAS

Magistrantūros studijų baigiamasis darbas

(studijų programa – TELEKOMUNIKACIJŲ FIZIKA IR ELEKTRONIKA)

Studentas Raimondas Girštautas

Darbo vadovas Juzef Statkevič

Konsultantas Dr. Rimvydas Aleksiejūnas

Recenzentas Doc. Vidas Kalesinskas

Katedros vedėjas Prof. Jūras Banys

Vilnius 2016

2

Turinys

Įvadas ................................................................................................................................................... 3

1. Literatūros apžvalga ..................................................................................................................... 4

1.1. LTE ryšio technologija ......................................................................................................... 4

1.2. OFDMA technologija ........................................................................................................... 5

1.3. Moduliacijos tipai ................................................................................................................. 6

1.4. Dažninis ir laikinis tankinimas ............................................................................................. 7

1.5. Antenos ................................................................................................................................. 8

1.6. Radijo ryšio sklidimo nuostoliai ......................................................................................... 10

1.7. Signalo galia ir kokybė imtuve bei jo triukšmo ir interferencijos santykis ........................ 13

1.8. Korinis ryšys ....................................................................................................................... 14

2. TD-LTE tinklo planavimas ........................................................................................................ 16

2.1. TD-LTE tinklo planavimo parametrų aptarimas................................................................. 16

2.2. TD-LTE tinklo planavimo rezultatai .................................................................................. 16

3. LTE tinklo modeliavimas ........................................................................................................... 23

3.1. LTE tinklo modeliavimo įranga .......................................................................................... 23

3.2. TD-LTE ir FD-LTE technologijų pagrindiniai parametrai ir metodika.............................. 24

3.3. Modeliavimo rezultatai ir jų aptarimas ............................................................................... 25

4. Eksperimentinis TD-LTE tinklo įvertinimas.............................................................................. 31

4.1. Metodika ir eksperimentinė įranga ..................................................................................... 31

4.2. Eksperimentiniai TD-LTE tinklo rezultatai ........................................................................ 33

Išvados ............................................................................................................................................... 35

Literatūra ........................................................................................................................................... 36

Summary ............................................................................................................................................ 37

3

Įvadas

Pirmą kartą judrusis ryšys buvo pradėtas naudoti XX amžiaus 3-ajame dešimtmetyje, kai

vežiojamos radijo stotys buvo pritaikytos karinėse, policijos bei priešgaisrinėse struktūrose. Tų laikų

radijo stotys, be abejo, buvo sunkios, didelės ir galėjo dirbti tik vienpusėje vienalaikėje veikoje.

Ilgainiui atsirado naujesnės sistemos sugebančios veikti dvipusėje vienalaikėje veikoje. Šiuolaikinio

korinio judriojo ryšio era prasidėjo 1983 m., kai Europoje bei Amerikoje buvo pradėtos naudoti

pirmosios kartos (angl. – Generation 1) analoginės ryšio sistemos, antrosios kartos (GSM)

skaitmeninio ryšio sistemos buvo labai sėkmingos dėl savo technologijos pigumo, patogumo ir

patikimumo, o trečiosios kartos sistemos (3G) pasižymėjo tuo, jog laisvai pasirenkama perduodamų-

priimamų duomenų sparta nepriklausomai nuo pasirinktos vietos ir laiko [1]. Laikui bėgant, vystantis

technologijoms judrusis ryšys tapo labai populiarus ir net būtinybė kasdieninėje veikloje, todėl

atsirado poreikis didinti ryšio kokybę, mobilumą ir duomenų priėmimo - perdavimo spartą. LTE

(angl. – Long-Term Evolution) era prasidėjo 2009 m., kai pirmą kartą ketvirtosios kartos (4G)

mobiliojo ryšio sistema buvo paleista Osle ir Stokholme [2]. Ši technologija pasižymi [3]:

Didele atsisiuntimo (iki 300 Mbps) ir išsiuntimo sparta (iki 75 Mbps);

Mažų paketų perdavimo vėlavimas mažesnis nei 5 ms;

Aukštu mobilumu (iki 120 km/h);

Dažnių juostos pločiu, kuris siekia nuo 1,4 MHz iki 20 MHz;

Narvelių dydžiu nuo dešimčių metrų (femto narveliams ir piko narveliams) iki 100 km

(makro narveliams).

Kadangi šiuo metu labai populiarios ir greitai vystosi didelio duomenų srauto belaidės perdavimo

sistemos, tokios kaip LTE, todėl viena šio baigiamojo darbo dalis buvo pasirinkta atlikti akcinėje

bendrovėje „Lietuvos radijo ir televizijos centras“ (LRTC), kuri šiuo metu, kaip tik plečiasi šioje

srityje, o kita dalis, atlikta VU Telekomunikacijų mokslo centre, kuriame yra suteiktos visos sąlygos

atlikti teorinius šios technologijos modeliavimo darbus. Tokia LTE bevielės plačiajuostės prieigos

sistema gali tiekti spartų interneto ryšį, interaktyviąją didelės skiriamosios gebos televiziją, telefoniją,

bei kitas paslaugas.

Šio darbo tikslas yra atlikti bevielio TD-LTE tinklo planavimą „ICS Telecom“ programiniu

paketu: teoriškai apskaičiuojant signalo pasiskirstymo ir greitaveikos žemėlapius, įvertinant

geografinė vietą bazinių stočių įrengimui ir įvairių trukdžių įtaka ryšiui. Taip pat sumodeliuoti „GNU

Octave“ programiniu paketu kelis šios tinklo scenarijus palyginant su FD-LTE technologija, bei

atlikti eksperimentinį TD-LTE tinklo įvertinimą, lyginant su teoriniais modeliavimo rezultatais.

4

1. Literatūros apžvalga

1.1. LTE ryšio technologija

LTE technologija evoliucionavo iš trečiosios kartos HSDPA (angl. – High Speed Download

Packet Access) judriojo ryšio technologijos dėl žymiai padidėjusio duomenų perdavimo greičio bei

išaugusio mobilumo. Šios technologijos radijo ryšio perdavimas remiasi ortogonaliosios dažninio

tankinimo moduliacijos (angl. – OFDM) patobulinta technologija - tai daugybinės prieigos

ortogonaliosios dažninio tankinimo moduliacijos (angl. – OFDMA) technologija, kuri palaiko

skirtingus perdavimo dažnių juostų pločius (1,4 MHz iki 20 MHz), esant tiek dažninio tankinimo,

tiek laikinio tankinimo formose [4]. Taip pat, dėl šios technologijos galimybių, galima pasiekti aukštą

perdavimo kokybę net iki 100 km atstumu nuo bazinės stoties. Taip pat svarbu paminėti, kad

duomenų išsiuntimui naudojamas dažninis prieigos tankinimas (angl. – SC-FDMA), dėl kurio

pagerėja išsiuntimo greitis iki 75 Mbps ir vartotojo įrangos baterijos gyvavimo trukmė bei, žinoma,

įrangos naudojimo laikas. Tuo tarpu duomenų atsisiuntimo greitis svyruoja nuo 100 iki 326,4 Mbps,

o tai priklauso nuo moduliacijos tipo bei antenos konfigūracijos [2].

LTE architektūrą galima laikyti dviejų mazgų architektūra, kadangi užtenka įtraukti du mazgus

tarp vartotojo įrangos ir centrinio tinklo, tai bazinė stotis (angl. – eNodeB), vartotojo tinklo sąsajos

(angl. – S-GW), kurių funkcija užbaigti ryšį su

bazine stotimi, bei kontrolės mobilumo

valdymo serveris (angl. – MME) skirtas

tikrinti: mobilumą tarp 3GPP tinklų;

autentifikavimą bei vartotojo tinklo sąsajos

parinkimą [5]. Tokia architektūra neturi

centrinio kontrolerio, o bazinės stotys

tarpusavyje komunikuoja per X2 sąsajas,

kurios tarpusavyje yra susietos S1 sąsaja su

centriniu tinklu. Tokia architektūra pateikta

1.1 paveiksle. Su tokia LTE architektūra

gauname tolygų perdavimą ir integraciją iš arba į egzistuojančius kitus 3GPP ir 3GPP2 tinklus, taip

operatorius užtikrina patikimą ryšio kokybę [6]. Tokia architektūros sistema vartotojus sujungia

duomenų paketų tinklu per IP adresus, taip vartotojams suteikiama prieiga prie internetinio tinklo

arba teikiamos paslaugas, tokios kaip internetinė telefoniją (angl. – Voice over IP).

1.1 pav. LTE tinklo architektūra [2].

5

1.2. OFDMA technologija

LTE technologijoje naudojama pažangesnė OFDM moduliacijos versija - daugybinės prieigos

ortogonalioji dažninio tankinimo moduliacija (angl. – OFDMA). Taip pat palaikoma ir daugybinių

siuntimo – priėmimo antenų sistema (angl. – MIMO), kai siųstuvas ir imtuvas gali turėti daugiau nei

po vieną anteninį įrenginį, dėl kurio leidžiamas platus dažninių kanalų pločio ir kitų parametrų

pasirinkimas. Tai suteikia didelę laisvę operatoriams, diegiantiems šio ryšio sistemas [7].

OFDMA technologijoje yra galimybė atskiriems vartotojams priskirti tam tikras ponešlių grupes.

Toks daugybinės prieigos metodas leidžia LTE ryšiui skirtą dažnių juostą išnaudoti labai efektyviai,

nes tokiai sistemai tenka aptarnauti didelį skaičių vartotojų, esančių vienoje geografinėje vietovėje.

Ši technologija leidžia vienu metu naudoti dažninį prieigos tankinimą (angl. – FDMA), kai

vartotojams skiriami skirtingi dažnių ruožai ir laikinį prieigos tankinimą (angl. – TDMA), kai

vartotojams, besinaudojantiems tuo pačiu dažnių ruožu, skiriami skirtingi laiko tarpsniai. Tarpsnis –

tai mažiausias laiko ir dažnių resursas, kuris gali būti skirtas atskiram vartotojui. Laikinis ir dažninis

prieigos tankinimai leidžia efektyviai paskirstyti turimus resursus, tačiau sudėtingėja bazinės stoties

darbas, kadangi ji turi įvertinti informaciją apie visus aptarnaujamus terminalus bei kiekvieną iš jų

informuoti apie jiems skirtus blyksnius. Blyksniu vadinamas radijo impulsų rinkinys, kuriais

perduodami vienam vartotojui skirti duomenys [1].

OFDMA signalo ponešliai moduliuojami QPSK, 16QAM, arba 64QAM metodais, kuriuos šiek

tiek plačiau aptarsiu kitame poskyryje. Moduliacijos metodas parenkamas atsižvelgiant į ryšio kanalo

kokybės indikatorius, kuriuos terminalas siunčia bazinei stočiai. Skirtingi terminalai priima skirtingų

stiprumų signalus, todėl numatyta, jog bazinė stotis kiekviename ryšio žemyn blyksnyje gali parinkti

skirtingas ponešlių moduliacijas. Taip pat kiekvienam blyksniui atskirai nustatomos tolydinių intarpų

trukmės [7].

LTE signalas yra skirstomas į ciklus. Ciklas yra pilnas duomenų, persiunčiamų abiem kryptimis tarp

bazinės stoties ir terminalo rinkinys, kuris sudarytas iš antraštės, kontrolinės informacijos ir duomenų

bitų. Ciklą sudaro ryšio aukštyn ir žemyn pocikliai, kurių trukmių santykis gali būti 3:1 arba 1:1. Jis

pasirenkamas atsižvelgus į ryšio kanalo naudojimo pobūdį. Signale taip pat išskiriami tarpsniai,

kiekvieno tarpsnio trukmė gali būti kelios OFDMA simbolio trukmės, o dažnių srityje jis dažniausiai

apima tam tikrą ponešlių rinkinį, kuris vadinamas pokanaliu. Tarpsnius vartotojams skirsto bazinės

stoties įrenginys, atsižvelgdamas į kiekvieno vartotojo poreikius ir ryšio kanalo galimybes.

Kiekvienas ryšio žemyn pociklis susideda iš daugybės tarpsnių, kurie formuoja blyksnius. Iš 1.2

paveikslo matyti, kad kiekvieno ryšio žemyn pociklio pradžioje yra antraštė, kurios fiksuotos trukmės

bitų seka naudojama bazinės stoties identifikacijai, laiko sinchronizacijai, ir kanalo iki terminalo

įvertinimui, taip pat ryšio žemyn antraštę lydi ciklo kontrolinės žinutės (angl. - Mapping), kurios

6

pateikia informaciją apie ryšio aukštyn ir žemyn pociklius: blyksnių padėtis, jų moduliacijos bei

kodavimo schemų parametrus. Antraštės signalų energija yra 2√2 kartų didesnė nei likusi informacija

perduodančiu ponešliu [1].

OFDMA ciklą sudarantys ryšio aukštyn ir žemyn pocikliai yra atskiriami trumpais saugos

intarpais, kurių metu bazinės stoties ir terminalo siųstuvai nieko nesiunčia. Intervalas tarp ryšio

žemyn ir aukštyn pociklių yra vadinamas siuntimo – priėmimo saugos intervalu, o po ryšio aukštyn

pociklio turime priėmimo – siuntimo saugos intervalą. Tokia priemonė apsaugo nuo duomenų

persiklojimo ir sumažina bazinės stoties ir terminalo sinchronizacijos reikalavimus [7]. Saugos

intarpas sunaikina tarpsimbolinius trukdžius, tačiau nuosavieji simbolio trukdžiai išlieka, susiję su

pereinamaisiais vyksmais simbolio pradžioje ir pabaigoje. Todėl saugos intarpo vietoje į tarpsnį,

esantį prieš simbolio pradžią, yra nukopijuojama žemadažnio simbolio dalis, vadinamasis tolydumo

intarpas, atitinkanti simbolio pabaigą. Iš čia gauname, kad išnaudojama ponešlių simbolių savybė

talpinti savyje sveiką kiekį sinusoidės periodų: tai yra nešlio fazė simbolio pradžioje yra ta pati, kaip

ir simbolio pabaigoje [1].

1.2 pav. LTE naudojamo radijo kanalo užimtumo kitimas laike [1].

1.3. Moduliacijos tipai

LTE technologijoje yra naudojama daugialygė kvadratūrinė-amplitudė moduliacija (angl. -

MQAM), kurios moduliacijos lygis keičiasi priklausomai nuo signalo/triukšmo ( NIS / ) santykio

faktoriaus vertės. Šios manipuliacijos perdavimo juostos simboliai perduodami ne tik su skirtingomis

fazėmis, bet ir su skirtingomis amplitudėmis. Iš pateikto 1.3 paveikslo, matyti, kad kuo šis santykis

didesnis, tuo yra mažesnė tikimybė atsirasti klaidoms [1]. Taigi, iš čia galime pastebėti, kad kuo toliau

nuo bazinės stoties yra vartotojo terminalas, tuo mažesnė bus greitaveika.

7

1.3 pav. Klaidų tikimybės priklausomybė nuo signalo/triukšmo

santykio faktoriaus vertės [8].

Taip pat svarbu paminėti, kad kuo didesnis moduliacijos lygis, tuo bitų skaičius viename

simbolyje yra didesnis: 16QAM ir 64QAM moduliacijų vienas simbolis turi atitinkamai 3 ir 4 bitus

informacijos, tuo tarpu QPSK (4QAM) vienas simbolis turi 2 bitus informacijos, bet moduliacijos

fazė kinta kas 900, o amplitudė lieka pastovi [8]. Taigi iš čia gaunama išvada, kad didėjant

moduliacijos lygiui mažėja atstumas tarp simbolių fazės ir amplitudės, kas ir lemia klaidų atsiradimo

tikimybės didėjimą, didėjant triukšmui.

1.4. Dažninis ir laikinis tankinimas

LTE ryšio sistemose leidžiama naudotis dviem tankinimo metodais: dažninis tankinimas (angl.

- FD) ir laikinis tankinimas (angl. - TD).

FD metodas naudoja dvi skirtingas dažnių juostas informacijos perdavimui: viena –

išsiuntimui, o kita – atsiuntimui (1.4 pav.). Tokios sistemos parametrai yra kanalo juostos plotis bei

dažnio tarpas tarp skirtingų perdavimo juostos dažnių, kuris imamas ne mažesnis nei 45 MHz, kitu

atveju nebus galima apsaugoti imtuvo nuo jo pačio siųstuvo signalo, nors ir naudojami skirtingi

dažnių juostos ruožai, o perduodamų signalų stiprumai gali skirtis net 100 dB [3].

8

1.4 pav. Dažninis tankinimas [3].

Taip pat svarbu paminėti, kad imtuvas priima ir siunčia signalus vienu metu, bei siųstuvo

dažnio juostos plotis gali būti didesnis nei imtuvo arba atvirkščiai.

TD metodas yra labiausiai paplitęs skaitmeninėse sistemose. Šis metodas ypatingas tuo, kad

duomenų išsiuntimui ir atsisiuntimui yra naudojama ta pati viena dažnių juosta. Taip pat svarbu

paminėti, kad vienu metu galimas tik informacijos išsiuntimas arba atsisiuntimas, bet kadangi

šiuolaikinėse skaitmeninėse radijo sistemose šis procesas vyksta labai greitai, galime laikyti, kad

informacija yra išsiunčiama ir priimama imtuvu vienu metu. Kaip pateikta 1.5 paveiksle, galime

pastebėti, kad yra išskiriami specialūs blokai, kuriuose pasibaigus duomenų atsisiuntimo pocikliui

yra skiriamasis saugumo intarpas, kurio tikslas išvengti duomenų persiklojimo ir pereiti į kitą –

išsiuntimo pociklį ir atvirkščiai [9].

1.5 pav. Laikinis tankinimas [9].

Taip pat svarbu paminėti, kad laikinio tankinimo LTE ryšys reikalauja geresnės nei 3 s

bazinių stočių sinchronizacijos, tai galima pasiekti naudojant palydovinio ryšio navigacines sistemas

(angl. - GPS) [3].

1.5. Antenos

Antenos dažniausiai yra parenkamos remiantis pagrindiniais jų parametrais: matmenimis,

spinduliavimo kryptingumu, stiprinimu, poliarizacija bei dažnio ruožu. Taip pat antenos yra

9

skirstomos į visakryptines (izotropines), sektorines ir kryptines pagal savo spinduliavimo

kryptingumo diagramas. Antenos stiprinimas nusako antenos sukuriamą srauto tankį pasirinktame

erdvės taške PSek, lyginant jį su izotopines antenos kuriamu srauto tankiu tame pačiame taške PIz, kai

siųstuvo galia abiem atvejais yra ta pati. Taip pat svarbu paminėti, kad pati antena signalo nestiprina,

o jos stiprinimas išauga, mažėjant sektorinių antenų kampams. Taigi antenos stiprinimą P galime

aprašyti tokia išraiška:

𝑃 = 10𝑙𝑔𝑃𝑆𝑒𝑘

𝑃𝐼𝑧. (1)

LTE bazinėse stotyse dažniausiai statomos trys sektorinės antenos po 1200, kad butų

sudaromas 3600 kampas. Miestuose tokios sektorinės antenos naudojamos su mažu stiprinimu, dėl

įvairių kliūčių ir oro sąlygų įtakų, tuo tarpu mažai apgyvendintose teritorijose stengiamasi naudoti

tokias antenas su dideliu stiprinimu, kad būtų gaunama kuo didesnė signalo aprėpties zona. Kitas

svarbus dalykas yra antenos nukreipimas žemyn, dažniausiai naudojamos antenos su mechaniniu

nukreipimu. Tokia antena mechaniškai nukreipiama atitinkamu kampu, kad visa spinduliavimo

energija patektų į reikiamo radiuso aprėpties zoną [1].

Kadangi LTE ryšys turi būti labai aukštos kokybės, tai tokiai kokybei užtikrinti yra

naudojamos diversinės (MISO) arba MIMO antenos (1.6 pav.). Abejų antenų konfigūracijose yra

naudojamas erdvinis tankinimas. Signalas yra priimamas dviejų antenų, tai yra pagrindinės ir

diversinės, tada toks signalas palyginamas naudojant įvairias matematines funkcijas ir galiausiai

susumuojamas. Diversijos pagalba signalas gali būti sustiprinamas iki 6 dB. Taip pat svarbu paminėti,

kad atstumas tarp antenų mažėja, mažėjant narvelių dydžiui: vidiniam naudojimui iki 4 , miestuose

iki 10 , o kaimo vietovėse iki 15 [3].

1.6 pav. MISO ir MIMO antenų konfigūracijos [7].

10

MIMO – tai mažiausiai du siųstuvus ir du imtuvus turinti sistema. Jei kalbėtume tik apie antenų

konfigūraciją, tai tokioje sistemoje galimas trijų efektų panaudojimas: siuntimo ir priėmimo

įvairinimas antenomis, siuntimo ir priėmimo antenų pluošto formavimas, bei jau minėtas erdvinis

tankinimas. Sistemoje yra galimas kelių lygiagrečių kanalų suformavimas, kurias perduodama

skirtinga informacija, todėl tokioje sistemoje greitaveika stipriai išauga, lyginant su mažai padidinta

siųstuvų galia. Sistema turi turėti mažiausiai tiek imtuvų, kiek lygiagrečių kanalų yra suformuota [7].

Taigi tokios sistemos privalumas, jog ji turi didelį informacijos pralaidumą kanaluose, taigi galime

užrašyti kanalų talpą (bps/Hz) [10]:

𝐶 = 𝑁 ln (1 +𝜌

𝑁), (2)

čia N – kanalų skaičius, 𝜌 – signalo/triukšmo santykis.

Taip pat svarbi savybė, kad siųstuvų ir imtuvų gali būti daugiau, negu kanalų. Paprastai MIMO

sistema vadinama tik tokia, kurioje vyksta erdvinis tankinimas – tai kai yra suformuojami lygiagretūs

perdavimo kanalai [7].

1.6. Radijo ryšio sklidimo nuostoliai

LTE ryšyje radijo bangų sklidimas gali būti dvejopas: nesant tiesioginio matomumo iki bazinės

stoties (taikoma iki 2 km) ir esant tiesioginiam matomumui, kai iki bazinės stoties daugiau nei 2 km

[11].

Realiose sąlygose tokio tiesioginio matomumo kanalo, kai į imtuvą patenka tik tiesioginis

signalas praktiškai nebūna. Visada toliau, ar arčiau nuo tiesioginio matomumo linijos esančios

kliūtys, sukelia difrakciją arba atspindi radijo bangas, o pastarosios paveikia priimamąjį signalą dėl

interferencijos su tiesiogiai atsklidusiomis bangomis. Taip pat svarbu paminėti, kad toli nuo

geometrinės linijos tarp siųstuvo ir imtuvo antenų esančios kliūtys mažai paveikia priimtąjį signalą.

Taigi reikia pabandyti įvertinti, kokia geometrinė taškų visuma erdvėje tarp siųstuvo ir imtuvo antenų

turėtų būti neuždengta kliūtimis, kad priimtasis signalas, būtų beveik toks pat, tarsi iš viso tų kliūčių

nėra [1].

Taigi, jei taškų padėčių visuma, apribota paviršiumi, per kurį bangos, nuėjusios difrakciniu keliu

iki imtuvo, bangos fazė skiriasi nuo tiesioginės bangos fazės 180o, tai tokia zona vadinama Frenelio

zona (1.7 pav.).

11

1.7 pav. Frenelio zonos [1].

Tokių taškų geometrinė vieta nubrėžia elipsę, kurią išreikšti galime taip:

𝑑1 + 𝑑2 +𝑛𝜆

2= 𝑎 + 𝑏 = √𝑑1

2 + 𝑟𝑛2 + √𝑑2

2 + 𝑟𝑛2 , (3)

čia n – sveikasis Frenelio zonos numeris. Iš čia galime išreikšti Frenelio zonos plotį (𝑟𝑛 ) bet kuriame

atstume nuo siųstuvo 𝑑1:

𝑟𝑛 = 17.3√𝑛𝑑1𝑑2

𝑓(𝑑1+𝑑2), (4)

kur 𝑑1, 𝑑2 – atstumas kilometrais, f – dažnis (GHz), o 𝑟𝑛 – plotis metrais.

Pastebėta, kad gaunamas tik nežymus priimtojo signalo silpninimas, kai pirmoji Frenelio zona

yra beveik neuždengta, tai yra turi būti neuždengta bent 0.6𝑟1 spindulio centrinės zonos dalies. Šis

kriterijus dažnai vadinamas 0,6 Frenelio zonos kriterijumi [1].

Taip pat labai svarbu paminėti laisvos erdvės sklidimo nuostolius, kurie turi labai didelę įtaką

radijo bangų sklidimui. Jie parodo, kokie yra signalo nuostoliai vakuume pasirinktame atstume nuo

siųstuvo. Laisvos erdvės sklidimo nuostoliai decibelais gali būti išreikšti taip [1]:

𝐿𝑑 = 32,44 + 20 lg(𝑓) + 20 lg(𝑑), (5)

kur d – atstumas nuo siųstuvo kilometrais, o f – dažnis (MHz).

Iš teoriniu matavimu:

1 lentelė. Laisvos erdvės sklidimo nuostoliai [1].

Atstumas (d), km 𝐿𝑑, dB

1 100

10 120

20 126

Elektromagnetinių bangų silpimui didelės įtakos turi bangos ilgis, kuo jis trumpesnis, tuo labiau

medžiai, krūmai, gelžbetoninės konstrukcijos bei pastatai slopina bangą. Gelžbetoninės konstrukcijos

12

praktiškai visiškai slopina signalą. Tuo tarpu miškų įtaka signalo slopinimui, kaip pateikta 1.8 pav.,

taip pat nėra maža. Taigi, medžių skersmuo bei pastatų sienų storis stipriai įtakoja slopimui, nes jie

yra daug didesni, negu signalo bangos ilgis [1].

1.8 pav. Signalo silpimo medžiuose priklausomybė nuo dažnio (VP – vertikali poliarizacija, HP –

horizontali poliarizacija) [1].

Lietus slopina apie 40% daugiau vertikalios poliarizacijos bangas, negu horizontalios, bet lietaus

įtaka, kaip pateikta 1.9 pav. pasireiškia tik didesniems negu 10 GHz dažniams.

1.9 pav. Signalo slopimo lietuje priklausomybė nuo dažnio [1].

Taip pat svarbu paminėti, kad oro bei vandens įtakota bangų sugertis, kaip pateikta 1.10 pav.

neturi didelės įtakos bangų silpimui dažniams mažesniems nei 100 GHz [1].

13

1.10 pav. Oro bei vandens įtakotos bangų sugerties priklausomybė nuo dažnio [1].

1.7. Signalo galia ir kokybė imtuve bei jo triukšmo ir interferencijos

santykis

Priimtojo ryšio signalo galia (angl. - Reference Signal Received Power (RSRP)) – tai priimama

imtuvo įėjime signalo galia, kuri parodo signalo resursinių blokų vidutinę priimamą galią, lyginant

su visa naudojama dažnių juosta [14]:

𝑅𝑆𝑅𝑃 = 𝑃 + 𝐺 − 𝐿𝑑 − 𝐿𝑀𝐶𝐿 − 10 lg(12 ∗ 𝑅𝐵), (6)

kur P – siųstuvo galia, G – antenos stiprinimas, 𝐿𝑀𝐶𝐿 – nuostoliai tarp įrangos ir bazinės stoties, RB –

resursinių blokų skaičius.

Signalo kokybė imtuvo įėjime (angl. - Reference Signal Received Quality (RSRQ)) – tai atskaitos

signalo kokybė imtuve, kuri įvertina, kokią signalo galią gauna vartotojas visos makro sistemos

atžvilgiu. RSRQ vertė kinta nuo -20 iki -3 dB [14].

Signalo, triukšmo ir interferencijos santykis (angl. - Signal Interference to Noise Ratio (SINR))

– tai signalo ir triukšmo bei signalo trukdžių sumos santykis, kurį gauna vartotojo įranga. Šis

parametras panašus į signalo ir triukšmo santykį tik papildomai yra įvertinami interferencijos

nuostoliai su kaimyninėmis bazinėmis stotimis. SINR apskaičiavimo metodai gali būti du: vienalytis

arba heterogeninis modelis, dažniausiai yra naudojama formulė skirta heteroginiams tinklams

apskaičiuoti [15]:

𝑆𝐼𝑁𝑅 = 𝑃𝑐𝑒𝑙𝑙

𝐹∗𝐵𝑊+𝑃𝑘+𝑃𝑠 , (7)

kur 𝑃𝑐𝑒𝑙𝑙 – signalo galia, kurį gaunama iš makro narvelio, F – triukšmų pasiskirstymo funkcija, 𝑃𝑘 –

bendra kaimyninių bazinių stočių galia, BW – dažnio juostos plotis, 𝑃𝑠– suminė sektorių galia.

14

1.8. Korinis ryšys

Narvelis - tai mažiausias judriojo ryšio tinklo geografinis regionas, kuri paprastai aptarnauja

viena bazinė stotis. Visa LTE ryšio teritorija būna sudaryta iš mažesnių arba didesnių narvelių,

priklausomai nuo regione esančio vartotojų kiekio. Jei tinklo aptarnaujamų abonentų kiekis yra

didelis, tenka mažinti narvelius, kad dažniniai kanalai būtų daugiau kartų pakartotinai naudojami.

Mažinant narvelius, taip pat gali būti mažinamas siųstuvų galingumas, kadangi ryšiui mažesniu

atstumu mažesnio galingumo pakanka. Patogiausia, kad narvelis būtų šešiakampio formos, kadangi

šios figūros sudedamos tarpusavyje, nepaliekant vadinamųjų „baltų“ (nepriklausančių jokiai bazinei

stočiai) dėmių. Dažniausiai vienai baziniai stočiai priklauso 3 makro narveliai, kaip aprodyta 1.11

pav., bet pagal poreikį tokį vieną makro narvelį sudaro mažesni, taip vadinamieji piko narveliai arba

mikro narveliai [1].

1.11 pav. Trys narveliai [1].

Taigi, šešiakampio narvelio spindulys – tai atstumas R tarp šešiakampio narvelio centro ir jo

viršūnių. Tada atstumą tarp kaimyninių narvelių galime užrašyti taip [1]:

𝐷 = 𝑅√3𝑘 = 𝑅√3(𝑖𝑗 + 𝑖2 + 𝑗2), (8)

čia k – narvelio skaičius klasteryje. Didžiausia kaimyninių narvelių grupė, kurioje nėra sutaptinių

narvelių, vadinama klasteriu.

Kiekvienas narvelis yra susietas su jo bazinės stoties naudojamu dažnių ruožu. Taigi, kad būtų

kuo mažesni sutaptinių kanalų trukdžiai, narvelius, naudojančius tą patį dažnių ruožą , kitaip dar

vadinamus sutaptiniais narveliais, reikia patalpinti kuo toliau vienas nuo kito. Be abejo, narvelių

išdėstymas turi būti periodinis. Kitaip sakant, atstumai tarp kaimyninių sutaptinių narvelių turi būti

vienodi. Sakykime, turime tris nesutaptinius narvelius A, B ir C. Struktūra tampa periodine, jei tuos

narvelius išdėstome taip, kad atstumai tarp kaimyninių sutaptinių A-A, bet kurios rūšies B-B bei C-

C narvelių yra vienodi. Atstumą D nuo koordinačių pradžios iki sutaptinio narvelio galime išreikšti

(8) lygybe. Sutaptinio narvelio vietą atskaitos narvelio atžvilgiu patogu reikšti indeksais i, j,

reiškiančiais transliacijų kiekį 𝑢, 𝜈 ašių kryptimi. Tada koordinačių pradžia laikant kurį nors vieną

15

narvelį, kaimyninio sutaptinio narvelio vieta nustatoma atlikus i transliacijų u ašies ir j transliacijų 𝜈

ašies kryptimis, kaip pateikta 1.12 pav. [1].

1.12 pav. Kaimyninių sutaptinių narvelių vietos radimas periodinėje struktūroje [1].

Taigi, iš čia galime daryti išvadą, kad esant kuo daugiau narvelių klasteryje, tuo gaunamas

mažesnis sutaptinių kanalų trukdžių dydis, nes atstumas tarp sutaptinių narvelių didėja. Tada, žinant

atstumą tarp sutaptinių narvelių centrų, galime užrašyti klasterio plotą:

𝑆𝑐𝑙 =6

√3

𝐷2

4=

3

2√3𝑅(𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2). (9)

O narvelio plotas išreiškiamas taip [1]:

𝑆𝑁 =6

√3(

√3

2𝑅)2 =

3

2√3𝑅2. (10)

Iš čia galime pastebėti, kad padalinus 𝑆𝑐𝑙 iš 𝑆𝑁 gausime narvelių kiekį klasteryje:

𝑘 = 𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2. (11)

Taigi, žinant aukščiau pateiktus parametrus, nesunkiai randami sutaptinių kanalų trukdžiai

heksagoninio priartėjimo atveju [1]:

𝑆

𝐼=

1

6(

𝐷

𝑅)

𝜈

2=

1

6(3𝑘)

𝜈

2 =1

6(3(𝑖𝑗 + 𝑗2 + 𝑖2))

𝜈

2, (10)

čia 𝜈 – silpimo parametras. Silpimo parametro pagalba neretai aprašinėjama silpimo kreivė, esant

tiesioginio matomumo ir fedingo kanaluose, kai elektromagnetinių bangų sklidimui didelės įtakos

turi augmenija, medinės bei gelžbetoninės konstrukcijos ir pan. 1.13 pav. pavaizduota vidutinė

statistinė signalo sklidimo nuostolių kreivė, priklausomai nuo regiono urbanizavimo [1].

16

1.13 pav. Sklidimo nuostolių priklausomybė esant įvairiam urbanizacijos lygiui [1].

2. TD-LTE tinklo planavimas

2.1. TD-LTE tinklo planavimo parametrų aptarimas

TD-LTE tinklo planavimas buvo atliktas AB „Lietuvos radijo ir televizijos centre“ pasinaudojant

„ICS Telecom“ programinio paketo įrankiu, kurio pagalba buvo sumodeliuoti signalo pasiskirstymo

ir greitaveikos žemėlapiai, įvertinant geografinę vieta bazinių stočių įrengimui bei įvairių trukdžių ir

kliūčių įtaką ryšiui.

Prieš pradedant planuoti signalo pasiskirstymo žemėlapį yra parenkami visi reikalingi

skaičiavimams parametrai:

1. Veikimo dažnis ir tankinimo technologija;

2. Bazinių stočių vietovės;

3. Sektorinės antenos;

4. Antenų aukščiai, palenkimo kampas;

5. Siųstuvo galia;

6. Padengimo skaičiavimo modelis;

7. Antenos spinduliavimo diagrama, jos stiprinimas;

8. Įvairių nuostolių įtaka.

2.2. TD-LTE tinklo planavimo rezultatai

Pasirinktas modeliuojamas LTE tinklas naudoja laikinio tankinimo technologija su 2.3 GHz

veikimo dažnio diapazonu. Tai atitinka dar kitaip vadinamą 40 dažnių juostą (angl. – 40 Band). Yra

17

manoma, kad ši dažnių juosta yra viena iš keleto perspektyviausių dažnių juostų ateities globaliame

ryšyje.

Pirmiausia, pradedant planavimą, reikia pasirinkti geografinę vietovę bei pradinės bazinės

stoties vietą, šiuo atveju geografinė vieta – Naujoji Vilnia, taigi dabar reikia įvesti jos reljefo,

augmenijos bei pastatų duomenų bazes. Parenkant bazinės stoties vietą reikia atsižvelgti į minėtus

geografinės vietovės ypatumus: ar yra daug aukštų pastatų, miškų, ežerų ir panašiai. Dažniausiai

bazines stotis miestuose stengiamasi pastatyti neaukštai, nes kuo žemiau yra bazinė stotis tuo

mažesnis yra narvelis. Tada mikronarvelis skleidžia mažus sutaptiniu kanalų trukdžius ir gali dirbti

kaimyninių nesutaptinių makronarvelių dažniuose. Tokiu būdu galima gerokai padidinti dažnių

pakartotinį panaudojimą ir tuo pačių aptarnauti daugiau vartotojų. Patikrinęs geografinę vietovę

pastebėjau, kad geriausia vieta pradinei bazinei stočiai yra Palydovo g. 15, Vilnius, tai yra bažnyčia,

kurios vietovės aukštis: ~180 m nuo jūros lygio, jei įtrauksime pastato matmenis aukštis padidėja

iki 240 m maksimumo. Taigi, sektorines antenas tokioje vietoje parinkau kabinti 35 m aukštyje nuo

žemės lygio, su 50 palenkimu. Sektorinės antenos bazinėms stotims parinktos iš „Alpha Wireless“

firmos produkcijos, o pagrindiniai sektorinių antenų parametrai pateikti 2.1 paveiksle.

2.1 pav. Sektorinių antenų parametrai [12].

Toliau, 2.2 paveiksle yra pateikti likę planuojamos bazinės stoties siųstuvo/imtuvo parametrai.

Iš čia matyti, kad vieno sektoriaus siųstuvo nominali galia yra 20 W, imtuvo ir siųstuvo antenų galia:

20.51 dB, o siųstuvo galios praradimai yra įvertinami apie 2 dB. Kaip jau buvo minėta ankščiau,

naudojamas laikinis tankinimas, kuriame yra fiksuota viena dažnių juosta, taip pat svarbu paminėti,

kaip ir pateikta 2.2 pav. yra naudojamas narvelių dažninis panaudojimas, kur dažnių diapazonas turi

būti artimas 2.3 GHz.

18

2.2 pav. Bazinės stoties siųstuvo/imtuvo parametrai.

Taigi, turint visus prieš tai minėtus parametrus, galime įvesti „Alpha Wireless“ firmos 600 antenos

spinduliavimo diagramą, kuri pateikta 2.3 paveiksle.

2.3 pav. „Alpha Wireless“ 600 antenos spinduliavimo diagrama.

Dabar esant įvestiems visiems parametrams, galime sumodeliuoti pradinės bazinės stoties

signalo pasiskirstymo žemėlapį, kuris pateiktas 2.4 paveiksle. Iš čia galime pastebėti, kad signalas

labiausiai pasiskirstęs ~3 km spinduliu nuo stoties, tolimesni išplitę signalai yra dėl gero tiesioginio

matomo, tai yra neužstoja jokios kliūtys, todėl net Pakalniškėse galime turėti vidutinį signalą ir

greitaveiką.

19

2.4 pav. Pradinės bazinės stoties signalo pasiskirstymo žemėlapis.

Toliau, panagrinėkime 2.5 paveikslą, čia pateiktas signalo pasiskirstymo žemėlapis bazinės

stoties epicentre, kur signalas labai stiprus. Norint toliau statyti likusias bazines stotis reikia

nusistatyti šio stipraus signalo spindulį, tada bus galima įvertinti, kokio dydžio narvelius naudoti, kad

tokiu stipriu signalu būtų pilnai padengtas geografinis regionas.

2.5 pav. Pradinės bazinės stoties labai stipraus signalo pasiskirstymo žemėlapis.

Kaip ir pateikta 2.5 paveiksle, šis spindulys yra apie 1.3 km, tai reiškia vieno sektorius spindulys

turėtų būti iki 1.3 km bei naudojamas netiesioginis padengimo skaičiavimo modelis, kuris taikomas

esant mažiems tiesioginio matomumo su bazine stotimi atstumams. Taigi, dabar pagal analogiją

20

pradinei bazinei stočiai yra parenkamos tinkamiausios vietos šioms bazinėms stotims, įvertinamas jų

antenų aukštis, palenkimo kampas bei įvedami kiti reikalingi parametrai (2.6 pav.).

2.6 pav. Likusių baziniu stočių projektavimas.

Taigi, atlikus likusių bazinių stočių planavimą, kur signalo pasiskirstymo rezultatai pateikti 2.7

ir 2.8 pav., galime pastebėti, kad nemažai stipraus ir vidutinio stiprumo signalo patenka į aplinkines

vietoves, dėl minėto tiesioginio matomumo, o tuo tarpu Naujosios Vilnios mikrorajonas yra

padengtas ~80 proc. labai stipriu signalu, o likusios nedidelės silpnesnės šios geografinės vietovės

sritys yra dėl miškingų vietovių ir aukštesnių pastatų įtakos.

2.7 pav. Visas LTE signalo pasiskirstymo žemėlapis.

21

2.8 pav. Naujosios Vilnios LTE signalo pasiskirstymo žemėlapis.

Turint, signalo pasiskirstymo žemėlapį, galime įvertinti šio regiono interferencija bei triukšmą

sumodeliuodami signalo triukšmo santykio žemėlapį. Iš gautų „ICS Telecom“ programos

modeliavimo rezultatų, kurie pateikti 2.9 pav., galime pastebėti, kad kai kuriose vietose ties narvelių

zonų susikirtimais, matomi nedideli signalo trukdžiai, kuriuos sukelia narvelių persiklojimai, kitaip

tariant tokia nedidelė interferencija atsiranda dėl sektorinių antenų spinduliavimo persiklojimo, taip

pat tai gali įtakoti minėtos miškingos vietovės bei aukštesni pastatai.

2.9 pav. Naujosios Vilnios signalo/triukšmo santykio žemėlapis.

22

Tuo tarpu, atmosferos įtakos galime neįvertinti, nes narvelių atstumai yra pakankamai maži, tai

lietaus bei oro įtakota bangų sugertis, šiuo atveju, nykstamai maža prie 2,3 GHz dažnio (1.10 pav.).

Galiausiai apskaičiuojame greitaveiką šiame regione, įvertinant signalo-triukšmo santykį, bei

sumodeliuojame šios greitaveikos žemėlapį (2.11 pav.). Kadangi, bazinė stotis yra išmanioji, ji pagal

signalo stiprumą bei signalo-triukšmo santykį, gali parinkti, kokią moduliacijos schemą naudoti tam

tikroje geografinėje zonoje, nuo to priklauso ir greitaveika. Įvairių moduliacijos schemų greitaveikos

priklausomybė, apskaičiuota ir pateikta 2.10 pav. Iš šios priklausomybės matyti, kad pasiekus geresnį

signalo-triukšmo santykį, moduliacija automatiškai perjungiama į aukštesnę su didesne greitaveika.

2.11 pav. Naujosios Vilnios greitaveikos pasiskirstymo žemėlapis.

2.10 pav. Greitaveikos priklausomybė nuo signalo/triukšmo santykio, esant skirtingoms moduliacijoms.

23

3. LTE tinklo modeliavimas

3.1. LTE tinklo modeliavimo įranga

LTE tinklo modeliavimui atlikti buvo naudojama bandomoji kompiuterinė platforma sukurta

Vilniaus Universiteto Telekomunikacijų mokslo centro, bendradarbiaujant su „Huawei

technologies“, „Omnitel“ ir „Blue Bridge“ kompanijomis. Joje įdiegta „Linux Ubuntu“ operacinės

sistemos virtualus serveris, kuris skirtas telekomunikacinių technologijų modeliavimui, naudojant

„GNU Octave“ algoritmus ir „Phyton“ programavimo kalbos skriptus. Dėl šios platformos aukštų

techninių parametrų, sistema vienu metu sugeba atlikti didelį matavimų kiekį bei išgauti labai tikslius

matavimo rezultatus, nes modeliavimui yra naudojamas Monte Carlo statistinis metodas, taip pat

gautais rezultatais galima dalintis ir su kitais tyrimo dalyviais [13].

3.1 pav. Virtualaus serverio aplinka [13].

Kaip ir pateikta 3.1 paveiksle, virtualaus serverio struktūra sudaryta iš: 1. Komandinės eilutės

sąsajos (angl. - Command line interface), kuris skirtas algoritmo tobulinimui ir testavimui bei

rezultatų atvaizdavimui realiu laiku; 2. Saugaus duomenų perdavimo protokolo (angl. - Secure FTP

connection), kurio pagalba galima atidaryti, įkelti ir išsaugoti vaizdo bylų duomenis bei programinio

kodo bylas; 3. Vaizdinės internetinės sąsajos, paremtos „Phython“ programavimo kalba (angl. -

IPython Notebook), kuri skirta mažos apimties modeliavimo rezultatams atvaizduoti, kadangi

reikalauja daug serverio resursų, ir dėl to didėja modeliavimo skaičiavimo trukmė [13].

Kitame poskyryje yra pateikta, šio virtualaus serverio pagalba atlikti TD-LTE ir FD-LTE

technologijų modeliavimai. Modeliuojant šių technologijų modelius buvo naudojamos įvairios „GNU

Octave“ programinio paketo funkcijos, įskaitant papildomus tyrimo tikslui sukurtus algoritmus.

24

3.2. TD-LTE ir FD-LTE technologijų pagrindiniai parametrai ir metodika

LTE tinklo modeliavimas susideda iš kelių procesų, kurių metu sukuriamos skirtingų

technologijų LTE bazinės stotys su vienodais parametrais (2 lentelė).

2 lentelė. LTE bazinių stočių parametrai.

Parametras TD-LTE (3:1) TD-LTE (2:2) FD-LTE

Centrinis dažnis 2,3 GHz 1,8 GHz 2,14 GHz

Resursinių blokų skaičius 75 50 100

Dažnių juostos plotis 15 MHz 10 MHz 20 MHz

Imtuvo triukšmo lygis 7 dB

Siųstuvo antenos aukštis 40 metrų

Mobilaus įtaiso aukštis 1 metras

Makronarvelio spindulys 1,33 kilometro

Siųstuvo galia 43 dBm

Antenų palenkimo kampas 5 laipsniai

Sektorių kiekis vienoje stotyje 3 sektoriai

Minimalus signalo lygis - jautrumas -105 dBm

Imtuvo temperatūra 23 0C

Šių stočių siųstuvų pagalba, gaunami signalo triukšmo ir interferencijos santykio (SINR), signalo

galios (RSRP), greitaveikos makro narvelių padengimo žemėlapiai ir jų pasiskirstymo funkcijos

idealiuose sąlygose, kadangi bus lyginami skirtingų technologijų skirtingi scenarijai, todėl laikysime,

kad reljefo, augmenijos ir pastatų įtakos nėra. Bet modeliuojant radijo sklidimo kanalus, įskaitysime

atstumo sklidimo nuostolius, šiluminius bei foninius signalus. Taip pat sukuriamos kaimyninės

bazinės stotys su tam tikru vartotojų pasiskirstymu, kuris nulemia tarpsektorinę interferenciją.

Sekančiu punktu bus palygintos TD-LTE ir FD-LTE technologijų vidutinės sektoriaus perdavimo

spartos, bazinių stočių apkrovos priklausomybės nuo duomenų greitaveikos poreikio kvadratiniame

kilometre, jei laikysime, kad vartotojų skaičius plote pasiskirsto tolygiai.

Rezultatai yra pateikiami statistiškai suvidurkinti, atvaizduojant juos grafiškai, rezultatų

tikslumas ir vaizdinė skyra priklauso nuo rezultatų suvidurkinimo kiekio, todėl modeliavimui yra

naudojamas Monte Carlo statistinis metodas, kuriam reikalingas didelis momentinių kadrų skaičius.

25

3.3. Modeliavimo rezultatai ir jų aptarimas

Pirmiausia buvo atliekami TD-LTE technologijos modeliavimo scenarijai, tame pačiame dažnių

diapazone: vienas analogiškai naudojamas LRTC tinkle, tai yra TD-LTE (3:1), bei kitas pasirinktas

palyginimui TD-LTE (2:2). Kadangi šį technologija Lietuvoje yra unikali buvo iškeltas tikslas

palyginti su kitų operatorių naudojama FD-LTE technologija, 1,8 GHz ir 2,14 GHz dažnių diapazone,

naudojant tuos pačius bazinių stočių parametrus, kaip pateikta 2 lentelėje.

Prieš aptariant sumodeliuotus padengimo žemėlapius, reikia įvertinti naudojamų antenų

spinduliavimo diagramas, esant skirtingoms technologijoms ir scenarijams.

3.2 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE 2,3 GHz 3D vertikalios poliarizacijos spinduliavimo

diagramos.

26

Jų modeliai trimačiame pavidale pateikti 3.2 pav., esant vertikaliai poliarizacijai ir 3.3 pav. –

esant horizontaliai poliarizacijai.

3.3 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE 2,3 GHz 3D horizontalios poliarizacijos spinduliavimo

diagramos.

Iš gautų rezultatų matyti, kad FD-LTE technologijos spinduliavimo diagramos yra labiau

orientuotos į mažo atstumo, bet plataus signalo padengimo zonas, tuo tarpu TD-LTE technologija

stengiasi padengti didesnio atstumo, bet siauras zonas. Tai geriau matosi, 3.4 paveiksle, kur

papildomai yra įvertinami ir kiti bazinės stoties parametrai.

27

3.4 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz imtuvų

signalo galios (RSRP) padengimas.

Palyginus skirtingų technologijų imtuvų signalo galio padengimo žemėlapius, galime pastebėti,

kad 2,14 GHz FD-LTE turi mažiausią stipraus signalo padengimą, bet tolimesniuose makronarvelio

taškuose galėtinai nemažame regione pasireiškia interferencija, tai yra kai kuriuose regionuose

signalas sustiprėja, kai sklindančios bangos susideda, o kai kur susilpnėja, kai jos atsiima – atėjusios

skirtingomis fazėmis. Tuo tarpu, FD-LTE 1,8 GHz atveju, kaip ir buvo minėta ankščiau iš

spinduliavimo diagramos, kad stiprus signalas pasiskirsto mažame atstume, bet labai plačiai, todėl

nėra paliekamų „baltų“, silpno signalo, zonų. O TD-LTE atveju, stiprus signalas pasiskirsto

dideliame atstume, bet siaurame intervale, todėl šiuo atveju būtų tikslinga naudoti 6 sektorius arba

didesnio spinduliavimo kampo antenas. Taip pat galime pastebėti, kad skirtingų scenarijų TD-LTE

signalų galios padengimai atrodo identiškai, realiomis sąlygomis, jie skiriasi, tai gerai atspindi

RSRP signalo pasiskirstymo 3.5 paveikslas.

28

3.5 pav. RSRP signalo pasiskirstymas.

Iš pateiktos priklausomybės, matyti, kad esant silpniems signalams TD-LTE (2:2) atveju, jis

labiau išsiplečia tolimesniuose taškuose, tuo tarpu TD-LTE (3:1), esant tam pačiam pasiskirstymui

turi palyginamai silpnesnį signalą, vadinasi padengimas yra šiek tiek mažesnis. Analogiškai galima

būtų lyginti ir FD-LTE atvejus. 3.4 pav., kaip buvo minėta ankščiau buvo modeliuojamas, esant -105

dBm minimaliam imtuvo jautrumui, šioje grafiko dalyje pasiskirstymas yra didžiausias ir tiesinis

lyginant su visais nagrinėjamais scenarijais, todėl rezultatai yra gaunami, tik esant gerai bei vidutinei

paslaugos kokybei, nes vartotojui, kuris patenka į silpno signalo padengimo zoną, teikiama paslaugos

kokybė gali ir netenkinti. Taigi, geriausias faktorius, kuris nusako paslaugos kokybę, yra pateiktas

3.6.1 ir 3.6.2 paveiksluose, tai signalo, triukšmo bei interferencijos santykis (SINR).

3.6.1 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz signalo, triukšmo ir interferencijos santykio (SINR) padengimas.

29

3.6.2 pav. c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz signalo, triukšmo ir interferencijos santykio (SINR)

padengimas.

Gauti modeliavimo rezultatai papildo prieš tai aptartus rezultatus, pagrindinis aspektas, kad

pateikiamas didesnis padengimas, kadangi žemėlapiuose gerai matosi vidutinio stiprumo signalo

pasiskirstymas, kuris atsiranda dėl atstumo sklidimo, šiluminių bei interferencijos sukeltų signalų

nuostolių. Šių technologijų SINR pasiskirstymas pateiktas 3.7 paveiksle.

3.7 pav. Skirtingų technologijų SINR pasiskirstymas.

Iš pateiktos priklausomybės matyti, kad ties silpnu 6 dB signalo, triukšmo ir interferencijos

santykiu, jo pasiskirstymas TD-LTE ir FD-LTE technologijose yra vienodas. Toliau gerėjant signalo

kokybei, šis pasiskirstymas keičiasi, tai yra TD-LTE atveju, esant tam pačiam pasiskirstymui, SINR

bus žymiai didesnis, dėl jau minėto labiau nutolusio geresnio signalo padengimo. Kadangi signalo,

30

triukšmo ir interferencijos santykis nusako paslaugos kokybę, įvertinus ją, galime sumodeliuoti

greitaveikos pasiskirstymo žemėlapius, kurie pateikti 3.8 paveiksle.

3.8 pav. a – FD-LTE 2,14 GHz, b – FD-LTE 1,8 GHz, c – TD-LTE (3:1) 2,3 GHz, d – TD-LTE (2:2) 2,3 GHz greitaveikos

padengimas.

Palyginus skirtingų scenarijų greitaveikos padengimo žemėlapius galime pastebėti, kad FD-LTE

technologija pasižymi didele greitaveika ~70-60 Mbps, bet labai mažoje padengimo srityje, didesnę

jos dalį sudaro vidutinio spartumo greitaveika: ~50-40 Mbps. Tuo tarpu TD-LTE technologija,

pasižymi ~55-30 Mbps greitaveika palyginamai tolimesniuose padengimo taškuose. Pagrindinė

problema, kuri nulemia TD-LTE greitaveiką, tai vieno 20 MHz dažnio ruožo naudojimas išsiuntimui

ir priėmimui, todėl nors ir galime išgauti šios technologijos pagalba didesnio gero signalo padengimą,

turime įvertinti vartotojų poreikius, nes norint pagerinti vieną parametrą turime pabloginti kitą. Kitas

svarbus dalykas, kurį reikia aptarti yra sektoriaus perdavimo sparta bei bazinės stoties apkrova, tai

yra jų priklausomybė nuo greitaveikos poreikio ploto vienete.

31

3.9 pav. Vidutinės sektoriaus perdavimo spartos priklausomybė

nuo jos poreikio ploto vienete.

3.10 pav. Bazinės stoties apkrovos priklausomybė nuo

greitaveikos poreikio.

Iš 3.9 pav. ir 3.10 pav. priklausomybių matyti, kad skirtingiems technologijų scenarijams sektorių

pajėgumai, taip pat nėra vienodi, esant tiems patiems bazinių stočių parametrams. Kadangi, kaip jau

buvo minėta ankščiau, pagrindinis šios perdavimo spartos faktorius yra dažnių juostos plotis, todėl

FD-LTE technologija turi didelę perdavimo spartą, kuri įsisotina, tai yra pasiekiamas maksimalus

bazinės stoties pajėgumas, tik prie didelių spartos verčių, tame pačiame plote, o tai labai stipriai

įtakoja vartotojų greitaveikoms, nes dėl didelių duomenų srautų yra užpildomi perdavimo duomenų

kanalai. Tuo tarpu TD-LTE technologijoje ši sparta yra kintama, raudona kreive pavaizduoto

scenarijaus atveju, perdavimo atsisiuntimo sparta yra mažesnė, bet laimimas didesnis talpumas,

padengimas bei dvigubai didesnis išsiuntimo greitis, o juodos kreivės – scenarijus pateikia mažesnį

padengimą bei talpą, bet ~50 procentų didesnį atsisiuntimo greitį.

4. Eksperimentinis TD-LTE tinklo įvertinimas

4.1. Metodika ir eksperimentinė įranga

Atliekant TD-LTE tinklo eksperimentinį įvertinimą, pirmiausia buvo įvertintas teorinis

Naujosios Vilnios padengimo žemėlapis, kuriame pasirinktos 6 atsitiktinės vietovės (4.1 pav.),

siekiant įtraukti tiek silpno, tiek stipraus padengimo zonas palyginti jas su teoriniais rezultatais.

32

4.1 pav. TD-LTE teorinis padengimo žemėlapis su pasirinktomis vietovėmis.

Eksperimentiniams matavimams buvo pasitelktas AB „Lietuvos radijo ir televizijos centro“

įsigytas įrankis „iManager U2000 MBB Network Management System“ bei USB ir MiFi abonentinės

įrangos modemai (4.2 pav.), kuriuos sukūrė „Huawei technologies“ . Šio programinio įrankio pagalba

galima ne tik kurti LTE tinklo topologijas, jas konfigūruoti, atlikti įvairių bazinių stočių parametrų

bei sutrikimų stebėjimus, bet taip pat atlikti abonentinės įrangos parametrų laikinius matavimus (4.3

pav.).

4.2 pav. Kairėje USB TD-LTE modemas, dešinėje MiFi TD-LTE modemas.

4.3 pav. „iManager U2000 MBB Network Management System“ abonentinės įrangos laikinių parametrų matavimai.

33

Kadangi vartotojams yra svarbiausia kokybė ir greitaveika, rezultatai apskaičiuojami ir

pateikiami, kaip greitaveikos laikinės statistikos priklausomybė nuo SINR bei RSRQ, kurie taip pat

palyginami su teorinėmis vertėmis.

4.2. Eksperimentiniai TD-LTE tinklo rezultatai

TD-LTE tinklo eksperimentiniai tyrimai buvo atlikti dviejų tipų modemais: USB, kuris skirtas

stipraus padengimo zonose ir MiFi, kuris turi nedidelio stiprinimo stiprintuvą imtuvo įėjime.

Pirmiausia aptarsime, kaip skiriasi šių modemų signalo kokybės (RSRQ) bei signalo,

interferencijos ir triukšmo santykio (SINR) laikinės statistikos priklausomybė nuo atsisiuntimo

greičio pasirinktose vietovėse (4.4 pav. ir 4.5 pav.).

4.4 pav. SINR priklausomybė nuo atsisiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi

modemo rezultatai.

4.5 pav. RSRQ priklausomybė nuo atsisiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi

modemo rezultatai.

34

Iš 4.4 pav. ir 4.5 pav. priklausomybių matyti, kad MiFi modemas yra palyginamai jautresnis, nei

USB modemas, jo pagalba buvo galima užfiksuoti net itin silpnus signalus iš 6 vietovės, kur pagal

teorinį padengimą signalo visai nėra. Taip pat matome, kad 1 ir 5 vietovės turi labai stabilius ir

kokybiškus signalus, bei gaunama maksimali greitaveika. Reiktų atkreipti dėmesį į tai, kad 5 vietovė

pagal teorinį padengimą yra ribinėje narvelio zonoje, nors realiomis sąlygomis pavyko išgauti gana

stabilų, nors palyginamai triukšmingą signalą. Tuo tarpu 2, 3 ir 4 vietovėse užfiksuotas didelis

išsibarstymas, kuris parodo ne tokią stabilią greitaveiką bei signalą. Ypatingai tai pasireiškia 2

vietovėje, nors ir pagal teorinį padengimą turėtų būti patikima ir stabili ryšio zona. Taip pat labai

įdomūs rezultatai gauti iš 3 vietovės, nors ir SINR ir RSRQ pakankamai geri, gaunama maža

greitaveika, atlikus detalesnę analizę buvo pastebėta, kad tuo laikotarpiu bazinėje stotyje buvo

pasiekta stoties maksimali greitaveika ir viršytas kanalo pralaidumas, dėl tos priežasties buvo

ribojama klientų greitaveiką.

Taigi, analogiškai galime įvertinti SINR laikinę statistinę priklausomybę nuo išsiuntimo spartos

skirtingose vietovėse (4.6 pav.).

4.6 pav. SINR statistinė priklausomybė nuo išsiuntimo greičio pasirinktose vietovėse. Kairėje USB modemo, dešinėje MiFi

modemo rezultatai.

Iš 4.6 pav. matyti, kad silpno signalo zonose išsiuntimo greitis yra labai mažas, faktiškai artėja į

nulį, tokiu atveju interneto ryšys gali trūkinėti, dėl ilgo atsako iš bazinės stoties. Eksperimentiškai

pastebėta, kad kokybiškai naudotis paslauga galima, tik tada, jei SINR siekia bent 10 dB arba

išsiuntimo greitis turi būti ~1 Mbps ir daugiau, kitaip net turint gera atsisiuntimo greitį užtikrinti geros

duomenų perdavimo kokybės negalėsime.

35

Išvados

1. Įsisavinus “ICS Telecom“ programinio paketo pagrindus buvo suplanuoti Naujosios Vilnios

signalų pasiskirstymo, signalo/triukšmo santykio bei greitaveikos žemėlapiai. Iš kurių buvo

pastebėta, kad ~80 proc. mikrorajono yra padengta labai stipriu signalu, o likusios šios

vietovės sritys yra silpnesnės dėl miškingų vietovių ar aukštesnių pastatų įtakos, tuo tarpu

lietaus bei oro sukelta signalo sugertis prie 2,3 GHz dažnio yra nykstamai maža, dėl mažų

narvelių atstumų.

2. Apskaičiavus greitaveiką šiame regione buvo nustatyta, kad pasiekus geresnį signalo-

triukšmo santykį, moduliacija automatiškai perjungiama į aukštesnio lygio su didesne

greitaveika.

3. Taip pat atlikus FD-LTE ir TD-LTE technologijų modeliavimą „GNU Octave“ programiniu

paketu buvo pastebėta, kad dažninio tankinimo stiprus signalas pasiskirsto labai mažame

atstume, todėl didžioji padengimo dalis užpildoma vidutiniu signalu, o laikinio tankinimo

atveju, stiprus signalas pasiskirsto atvirkščiai – dideliame atstume, bet gana siaurame

padengimo srities ploto ruože.

4. Nustatyta, kad FD-LTE technologija turi didelę perdavimo spartą (~70-60 Mbps) artimojoje

bazinės stoties zonoje, tuo tarpu TD-LTE technologijoje ši sparta kinta (~55-30 Mbps),

priklausomai nuo atsisiuntimo ir išsiuntimo santykio: vienu atveju (2:2) atsisiuntimo sparta

yra mažesnė, bet laimimas didesnis talpumas, padengimas bei dvigubai didesnė išsiuntimo

sparta, kitu (3:1) gaunamas mažesnis padengimas bei talpa, bet laimima ~50 proc.

atsisiuntimo spartos.

5. Eksperimentiškai nustatyta, kad vietovėse su dideliu SINR ir RSRQ gaunama labai stabili,

kokybiška ir maksimali greitaveika, kuri atitinka teoriškai apskaičiuotas padengimo vertes,

taip pat pastebėta, kad galimi ir nukrypimai: tiek palyginamai mažesnė greitaveika, dėl srauto

ribojimo iš bazinės stoties; tiek duomenų srauto trūkinėjimas, dėl mažo išsiuntimo greičio.

36

Literatūra

[1] A.Kežionis "Radijo sąsaja šiuolaikinėse telekomunikacijų sistemose" ir laboratorinių darbų

aprašų teorija. Vilnius, p.6-7, p.28-31, p.100-102, p.112-118, 1 lab. apraš. p.18-23, 2 lab. apraš. p.3-

6, 9 lab. apraš. p.13-14, 2008.

[2] V.H.Muntean, M.Otesteanu. "WiMAX versus LTE - An overview of technical aspects for Next

Generation Networks technologies" in IEEE Communications Magazine, p.225-228, 2010.

[3] L.Korowajczuk. "LTE, WIMAX AND WLAN NETWORK DESIGN, OPTIMIZATION AND

PERFORMANCE ANALYSIS“, CelPlan Technologies", Inc., Reston, VA, USA, p.204-207, p.265-

266, p.411, 2011.

[4] K.Bogineni, R.Ludwig et co. “LTE Part I: Core Network – Guest Editorial” in IEEE

Communications Magazine, vol. 47, No. 2, February 2009.

[5] B.Furht and S.Ahson. Long Term Evolution – 3GPP LTE Radio and Cellular Technology. CRC

Press, 2009.

[6] Darren McQueen. “The Momentum Behind LTE Adoption” in IEEE Communications Magazine,

vol. 47, No. 2, February 2009.

[7] Agilent "3GPP Long Term Evolution: System Overview, Product Development, and Test

Challenges", Agilent Technologies, Inc., 2008.

[8] Roger L. Freeman, “Fundamentals of Telecommunications”. p.218-220, 1999.

[9] E.Dahlman, S.Parkvall, J.Sköld. "4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband" p.137-138,

2011.

[10] Anderson Harry R., Fixed Broadband Wireless: System Design, p.225, 2003 John Wiley & Sons,

Ltd ISBN: 0-470-84438-8.

[11] Z.H. Talukder, S.S. Islam, D. Mahjabeen, "Cell Coverage Evaluation for LTE and WiMAX in

Wireless Communication System" World Applied Sciences Journal 22 (10): 1486-1491, 2013.

[12] „Alpha Wireless“ 2300-2700MHz Sector Antenna AW3163 Data Sheet, Alpha Wireless, 2015.

[13] R.Aleksiejūnas, K.Svirskas, J.Krivochiža, J.Aleksandravičius. “Simulation Framework for

MIMO LTE Network Performance Analysis”, Innovative Infotechnologies for Science, Business and

Education, ISSN 2029-1035 – 2(15) 2013 – Pp. 9-13.

[14] Linlin Luan, Muqing Wu, Jing Shen, Junjun Ye, Xian He. “Optimization of Handover Algorithms

in LTE High-speed Railway networks”, Beijing University of Posts and Telecommunications, 2012.

[15] A. Ghosh; R. Ratasuk. “Essentials of LTE and LTE-A”, Cambridge, 2011.

37

Vilnius University, Department of Radiophysics

Raimondas Girštautas

TD-LTE NETWORK’S COMPUTER SIMULATION AND EXPERIMENTAL

EVALUATION

Master degree thesis

Summary

The LTE radio access is based on Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA)

technology and supports different carrier frequency bandwidths (1,4–20 MHz) in both frequency-

division duplex (FD) and time-division duplex (TD) modes.

In nowadays there is rapidly developing and very popular high-bandwidth wireless transmission

systems, such as LTE. So, my experiment aims are to make wireless TD-LTE network planning with

“ICS Telecom“: theoretically calculating signal distribution and throughput maps, assessing the

geographical location of the base stations installations and various interference influences in

communications. Also, make some computer simulations of this network scenario with GNU Octave

software package, compared with FD-LTE technology. Finally to carry out experimental TD-LTE

network evaluation, compared with the theoretical modeling results.

The investigations were carried out in the public company "Lithuanian Radio and Television

Centre” (LRTC), and Vilnius University Telecommunications Science Center. After acquiring bases

of “ICS Telecom” program package, were planned New Vilnia signal distribution, signal and noise

ratio and throughput maps. It has been observed that the region was covered with ~ 80 percent of very

strong signal, the rest of the area was weaker due to woodland or higher buildings affect. These

results were compared with experimental, there was found that areas with high SINR and RSRQ

obtained a very stable, high-quality and maximum throughput, which corresponds to the theoretical

coverage values, also noted that it is possible both: comparatively lower throughput due to flow

restriction of a base station; and data stream cracking due to low upload speeds. Finally, a comparison

of FD-LTE and TD-LTE technology modeling with “GNU Octave" software package, was

discovered that the FD-LTE technology has a high transfer speed (~70-60 Mbps) near the base station

area, while the TD-LTE technology speed is variable (~ 55 to 30 Mbps), depending on the download

and upload ratio.